涡旋电磁波天线技术研究进展

郭忠义 汪彦哲 郑群 尹超逸 杨阳 宫玉彬

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涡旋电磁波天线技术研究进展

    作者简介: 郭忠义(1981–),男,安徽阜南人,合肥工业大学教授、博士生导师。主要研究方向包括涡旋雷达系统、智能传感系统、偏振智能信息处理、先进光通信技术、复杂电磁环境等。发表SCI检索论文130余篇,被国际国内同行正面引用1400余次。E-mail: guozhongyi@hfut.edu.cn;汪彦哲(1996–),男,安徽芜湖人,在读硕士。2019年于合肥工业大学计算机与信息学院攻读硕士学位。研究方向为涡旋电磁波天线与涡旋电磁波雷达成像。E-mail: wangyanzhehfut@163.com;郑 群(1996–),女,安徽池州人,在读硕士。2017年于合肥工业大学计算机与信息学院攻读硕士学位。研究方向为超表面天线、涡旋电磁波天线,目前发表论文2篇。E-mail: zhengqun1996@163.com;尹超逸(1994–),男,安徽安庆人,在读硕士。2017年于合肥工业大学计算机与信息学院攻读硕士学位。研究方向为涡旋电磁波天线、共口径天线,目前发表论文1篇。E-mail: yinchaoyi19940918@163.com;杨 阳,男,河南南阳人,在读博士。2015年获得电子科技大学真空电子专业学士学位,目前在电子科技大学微波电真空器件国家重点实验室攻读物理电子学博士学位。研究方向包括浸水天线、OAM天线和微波成像,目前已经发表期刊论文2篇,会议论文5篇。E-mail: yangyang_19930129@163.com;宫玉彬,男,山东蓬莱人,博士,教授。1998年在电子科技大学获得物理电子专业博士学位。现为电子科技大学特聘教授、微波真空器件国家重点实验室副主任、研究室主任。研究方向包括新的毫米波和太赫兹辐射源,以及生物电磁效应,发表300多篇学术论文,获得科学和学术奖项十多次。E-mail: ybgong@uestc.edu.cn.
    通讯作者: 郭忠义, guozhongyi@hfut.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金项目(61775050, 61921002),中央高校基本研究经费(PA2019GDZC0098)

Advances of Research on Antenna Technology of Vortex Electromagnetic Waves

    Corresponding author: GUO Zhongyi, guozhongyi@hfut.edu.cn ;
  • Fund Project: The National Natural Science Foundation of China (61775050, 61921002), The Fundamental Research Fund for the Central Universities of China (PA2019GDZC0098)

  • 摘要: 涡旋电磁波,因携带有轨道角动量(OAM),从而体现出除了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外的一种新型自由度,理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态,并且近年来其在雷达成像、无线通信等研究领域展现出重要的应用潜力,所以引起国内外学者的广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。在这里,该文主要介绍近年来涡旋电磁波天线技术的研究进展,包括单一微带贴片天线、阵列天线、行波天线、以及超表面天线结构等。单一微带贴片天线由于其结构简单、制作成本低而被广泛运用;行波天线可以在宽带范围内产生多OAM模式的涡旋电磁波;阵列天线的设计原理简单,可以灵活地控制产生不同模态的高增益OAM电磁波;而超表面天线不需要复杂的馈电网络,从而具有天线整体剖面较低的优势。该文对这4种常见的涡旋电磁波天线进行了总结,并展望了未来的发展趋势。
  • 图 1  不同模式OAM波束图

    Figure 1.  Different modes OAM beam pattern

    图 2  单一微带贴片天线

    Figure 2.  Single microstrip patch antenna

    图 3  圆锥共形贴片天线[57]

    Figure 3.  Conical conformal patch antenna[57]

    图 4  谐振腔行波天线

    Figure 4.  Cavity traveling wave antenna

    图 5  螺旋行波天线

    Figure 5.  Spiral traveling wave antenna

    图 6  内外双馈双臂阿基米德螺旋天线[65]

    Figure 6.  Inner and outer dual-fed dual-arm archimedean spiral antenna[65]

    图 7  立体螺旋天线[66]

    Figure 7.  Three-dimensional helical antenna[66]

    图 8  三环嵌套平面等角螺旋线[67]

    Figure 8.  Three-ring nested plane equiangular helix[67]

    图 9  偶极子阵列天线

    Figure 9.  Dipole array antenna

    图 10  微带贴片阵列天线

    Figure 10.  Microstrip patch array antenna

    图 11  其他阵列天线

    Figure 11.  Other array antennas

    图 12  反射型超表面产生OAM波

    Figure 12.  The reflected metasurface generates OAM waves

    图 13  基于二极管可调相位网络结构实现可重构的OAM波[113]

    Figure 13.  Reconfigurable OAM wave based on diode phase adjustable network structure[113]

    图 14  透射型超表面产生OAM波

    Figure 14.  The transmitted metasurface generates OAM waves

    图 15  全息超表面产生OAM波

    Figure 15.  The holographic metasurface generates OAM waves

    图 16  数字编码型超表面产生OAM波

    Figure 16.  The digitally encoded metasurface generates OAM waves

    表 1  单一的微带贴片天线结构产生的涡旋电磁波的性能

    Table 1.  Performances of generating vortex electromagnetic waves a single microstrip patch antenna structure

    天线类型单位时间天线尺寸($ \lambda_0 $)工作频率(GHz)OAM模式增益(dB)
    不规则F形结构[51]北京邮电大学20171.02×1.25×0.0617.00+1/
    规则的椭圆形结构[52]意大利尼科洛库萨诺大学20140.80×0.80×0.012.40+1, +2/
    规则的正八边形结构[53]西安电子科技大学20191.24×1.24×0.022.47+1, –14.8
    规则的圆形结构[54]厦门大学20190.27×0.27×0.01
    0.46×0.46×0.02
    1.62
    2.73
    +1
    +2
    /
    双馈点环形嵌套结构[55]成都电子科技大学2017$ \Phi $2.26×0.035.65+1, –2/
    单馈点环形嵌套结构[56]中国人民大学20181.00×1.00×0.134.65~5.20+2, +31.5, 1.8
    单馈点圆锥共形结构[57]合肥工业大学2019$\Phi $0.53×0.022.40±1, ±26.6
    单馈点环形嵌套结构[58]意大利尼科洛库萨诺大学2017$\Phi $1.00×0.012.00+1/
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    表 2  报道的行波天线结构产生OAM波的性能

    Table 2.  Reported performances of generating OAM wave from traveling wave antenna structure

    天线类型单位时间天线尺寸(λ0)工作频率(GHz)OAM模式增益(dB)
    环形谐振腔天线[5961]浙江大学2015/10.002, 3, 4/
    2017Φ4.1210.00±33.39
    2017Φ20.00×8.4310.00±218.85
    ±319.75
    单臂阿基米德平面螺旋天线[62]云南大学2017Φ0.76×0.011.30~3.251/
    Φ1.57×0.023.45~6.102
    Φ2.79×0.036.25~10.503
    嵌套三维立体螺旋线[63]空军工程大学2019>Φ0.904.80~5.2027.60
    3
    加腔内外馈电阿基米德螺旋线[65]合肥工业大学20192.60×0.803.00±16.70~10.00
    3.47×1.074.00±2
    4.16×1.284.80±3
    加腔三维立体螺旋线[66]合肥工业大学2019Φ0.51×0.130.7604.55
    Φ1.03×0.261.551
    Φ1.63×0.412.452
    四臂等角平面螺旋天线[64]电子科技大学2019Φ2.13×0.035.60~6.000/
    –1
    –2
    –3
    三环嵌套平面等角螺旋线[67]电子科技大学2019Φ3.00×0.573.0016.94
    36.76
    55.49
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    表 3  阵列天线结构产生的OAM波的性能

    Table 3.  Reported performances of OAM wave generated by array antenna structure

    阵元结构单位时间天线尺寸(λ0)工作频率(GHz)OAM模式增益(dB)
    微带贴片英国谢菲尔德大学[72]2014Φ2.00×0.0510.00±12.45
    法国雷恩第一大学[73]20150.91×0.69×0.012.50+1/
    意大利帕多瓦大学[74]2015Φ1.60×0.015.750, ±18.35
    上海交通大学[83]20161.67×1.67×0.104.80±19.00
    清华大学[75]20172.03×2.03×0.011.900, ±1, ±2, ±3/
    复旦大学[76]2017Φ4.84×0.035.72~5.95±1/
    中国科学院大学[86]2017Φ6.008.00~12.000, +1, +2, +3/
    西安电子科技大学[53,77,80,82,84]20172.20×2.00×0.105.40~5.60–1
    +1
    7.35
    8.05
    3.10×3.10×0.079.70~10.700
    ±1
    ±2
    ±3
    14.15
    9.55
    9.25
    8.95
    20190.61×0.61×0.022.40–1,–2/
    Φ3.33×0.062.33~2.73±1, ±2, ±36.35
    Φ1.90×0.065.800, –1, –2, –3>6.55
    湖南大学[78]20181.28×1.28×0.072.50+1
    –1
    3.15
    3.05
    内蒙古科技大学[79]2018Φ5.60×0.055.50~6.10
    5.65~6.10
    ±1
    ±2
    0
    9.15
    4.05
    7.45
    电子科技大学[33]20194.85×4.85×0.1413.50~16.70–1, –2/
    韩国牧园大学[85]20197.50×7.5018.00+5/
    北京邮电大学[81]2019Φ1.00×0.021.55±1, +2/
    喇叭上海交通大学[89]2015Φ4.002.200, ±1, ±2, ±3, ±48.75
    国防科技大学[90]2016Φ10.009.900, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7/
    浙江大学[92]20168.86×9.06×0.029.700, ±18.48
    电子科技大学[91]2018Φ0.80×0.342.450, +1, +2, +3/
    偶极子瑞典乌普萨拉大学[43,70]2007Φ4.001.00+1, +2, +4/
    2010Φ1.502.40+1,+2/
    华南理工大学[71]20171.76×1.76×0.012.10~2.70±1/
    Vivaldi北京理工大学[87]2013Φ1.57×1.206.000,±1,±2,±3,+47.00
    电子科技大学[88]2018Φ0.51×0.402.70~2.900, ±2/
    谐振腔华中科技大学[93]2016Φ1.00×0.163.50+1, +2/
    表面等离子体激元东南大学[94]2018Φ3.20×0.065.50
    5.80
    6.00
    6.30
    6.60
    –2
    –1
    0
    +1
    +2
    /
    单臂螺旋西安电子科技大学[95]2018Φ5.33×0.473.40~4.70+1, +2, +38.50
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    表 4  产生OAM波的超表面天线及性能

    Table 4.  The metasurface antennas and their properties for generating OAM waves

    天线类型单位时间天线尺寸(λ0)工作频率(GHz)OAM模式增益(dB)
    反射型超表面西安电子科技大学[98104]201610.00×10.00×0.125.801; 2; 4/
    201610.00×10.00×0.125.80x极化1, y极化2/
    201610.00×10.00×0.075.50~6.501, 1; 1, 2/
    201710.00×10.00×0.075.801, 2/
    201812.60×12.60×0.2210.001/
    20188.82×8.82×0.16
    14.70×14.70×0.26
    6.00
    10.00
    1, –1(±30°)
    1, –1(±30°)
    17.7
    19.8
    201810.50×10.50×0.139.00~11.00119.9
    衡阳师范学院[107]20176.72×6.72×0.136.95~18.001; 2/
    浙江大学[108]2017Φ7.00×0.1010.000; 1; 210
    东南大学[105]201812.50×12.50×3.0040.25–1/
    安徽大学[106]20192.38×2.38×0.075.00~6.30–1, 0, 111.05
    南京航空航天大学[109]2019Φ6.46×0.1518.00~42.001, 3/
    北京邮电大学[110]2019Φ15.00×0.105.00~7.50417.93
    华南理工大学[111]20193.87×3.87×0.115.801; 2; 3; 415.4
    中国科学院[112]20198.50×8.50×0.10
    4.20×4.20×0.05
    5.20
    10.50~12.00
    1
    2
    /
    合肥工业大学[113]20193.50×3.50×0.10300.00–1, –2, –3, 1, 2, 3>20
    透射型超表面北京大学[114]20155.00×5.00×0.0811.802/
    香港大学[119,120]20179.60×9.60×0.0517.852; 4/
    20174.58×4.58×0.0517.85–1, –2, 0, 1, 2/
    浙江大学[121]20186.90×7.30×2.6010.00–1, –2, –3, –4 1, 2, 3, 4/
    南京理工大学[126]20189.40×9.40×0.7632.90~36.80x极化–1, y极化215
    西安电子科技大学[115118]201718.60×18.60×0.6810.002/
    20184.67×4.67×0.1510.00114.5
    20189.20×9.20×0.2313.00~15.00x极化0, y极化126, 20
    20194.80×4.80×0.209.60~10.321; 2; 3/
    上海交通大学[122]20196.00×6.00×0.0510.001; 2/
    哈尔滨工业大学[123]20198.00×8.00×0.1510.00~11.301/
    空军工程大学[124]20194.88×4.88×0.1414.001/
    中国科学院[125]20195.25×5.25×0.1010.00210.85
    全息超表面香港大学[127]20163.50×3.50×0.106.202; 4/
    西安电子科技大学[128,129]201920.20×20.20×0.1120.00–1, 1(±30°)/
    201920.20×20.20×0.1120.001; 2; 3/
    数字编码型超表面西安电子科技大学[130,131]20186.30×6.30×0.044.751, 2/
    20186.67×6.67×0.045.001(0°, 30°)
    2(0°, 20°)
    /
    空军工程大学[132134]20189.00×9.00×0.066.001/
    20188.84×8.84×0.088.50x-极化–2, 2
    y-极化–1, 1
    /
    20195.85×5.85×0.077.10~7.50
    7.00~7.50
    –1
    1
    14.7
    11.1
    东南大学[135137]201712.00×12.00×0.1014.50~15.501(±30°)/
    2017Φ15.00×0.1515.00x-极化1
    y-极化–1
    /
    20194.80×4.80×0.0510.001, –1/
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-02
  • 录用日期:  2019-10-18
  • 网络出版日期:  2019-10-25
  • 刊出日期:  2019-10-28

涡旋电磁波天线技术研究进展

    通讯作者: 郭忠义, guozhongyi@hfut.edu.cn
    作者简介: 郭忠义(1981–),男,安徽阜南人,合肥工业大学教授、博士生导师。主要研究方向包括涡旋雷达系统、智能传感系统、偏振智能信息处理、先进光通信技术、复杂电磁环境等。发表SCI检索论文130余篇,被国际国内同行正面引用1400余次。E-mail: guozhongyi@hfut.edu.cn;汪彦哲(1996–),男,安徽芜湖人,在读硕士。2019年于合肥工业大学计算机与信息学院攻读硕士学位。研究方向为涡旋电磁波天线与涡旋电磁波雷达成像。E-mail: wangyanzhehfut@163.com;郑 群(1996–),女,安徽池州人,在读硕士。2017年于合肥工业大学计算机与信息学院攻读硕士学位。研究方向为超表面天线、涡旋电磁波天线,目前发表论文2篇。E-mail: zhengqun1996@163.com;尹超逸(1994–),男,安徽安庆人,在读硕士。2017年于合肥工业大学计算机与信息学院攻读硕士学位。研究方向为涡旋电磁波天线、共口径天线,目前发表论文1篇。E-mail: yinchaoyi19940918@163.com;杨 阳,男,河南南阳人,在读博士。2015年获得电子科技大学真空电子专业学士学位,目前在电子科技大学微波电真空器件国家重点实验室攻读物理电子学博士学位。研究方向包括浸水天线、OAM天线和微波成像,目前已经发表期刊论文2篇,会议论文5篇。E-mail: yangyang_19930129@163.com;宫玉彬,男,山东蓬莱人,博士,教授。1998年在电子科技大学获得物理电子专业博士学位。现为电子科技大学特聘教授、微波真空器件国家重点实验室副主任、研究室主任。研究方向包括新的毫米波和太赫兹辐射源,以及生物电磁效应,发表300多篇学术论文,获得科学和学术奖项十多次。E-mail: ybgong@uestc.edu.cn
  • ①. 合肥工业大学计算机与信息学院 合肥 230009
  • ②. 电子科技大学微波电真空器件国家重点实验室 成都 610054
基金项目:  国家自然科学基金项目(61775050, 61921002),中央高校基本研究经费(PA2019GDZC0098)

摘要: 涡旋电磁波,因携带有轨道角动量(OAM),从而体现出除了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外的一种新型自由度,理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态,并且近年来其在雷达成像、无线通信等研究领域展现出重要的应用潜力,所以引起国内外学者的广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。在这里,该文主要介绍近年来涡旋电磁波天线技术的研究进展,包括单一微带贴片天线、阵列天线、行波天线、以及超表面天线结构等。单一微带贴片天线由于其结构简单、制作成本低而被广泛运用;行波天线可以在宽带范围内产生多OAM模式的涡旋电磁波;阵列天线的设计原理简单,可以灵活地控制产生不同模态的高增益OAM电磁波;而超表面天线不需要复杂的馈电网络,从而具有天线整体剖面较低的优势。该文对这4种常见的涡旋电磁波天线进行了总结,并展望了未来的发展趋势。

English Abstract

    • 随着现代社会科技的快速发展以及无线通信用户的不断增加,固定的频带带宽范围逐渐限制了无线通信技术的发展。因此,相关学者为了能够实现更高的频率利用率,进行了很多的研究与探索。近年来,轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)由于其模式的无限性以及模式之间的正交性[1],对于扩大信道容量具有重要的意义,从而受到研究学者的广泛关注。人类刚开始对轨道角动量的认知来自于光学领域,20世纪初期,坡印廷[2]从理论上预测了与圆极化电磁场相关的自旋角动量的力学效应,此后,Beth[3]在20世纪30年代进行了实验验证。在20世纪70年代,M. V. Berry等人[4,5]提出并发展了相位位错、相位奇点、涡旋光束等概念,并在此后进行了进一步的研究[6-10],逐渐丰富了涡旋光的理论、产生及相关特性。1992年,荷兰物理学家Allen[11]发现拉盖尔高斯(Laguerre-Gauss, LG)光束所构成的涡旋激光束中具有轨道角动量,并清晰的确定了轨道角动量与涡旋拓扑荷之间的关系。此后,多个课题组在关于各种光学涡旋产生方案[12-16]、光学涡旋操控微纳粒子[17-21]、涡旋光微加工[22]、光子轨道角动量量子纠缠特性[23-25]、光学涡旋传播特性[26,27]等方面进行了大量的研究。同时,由于涡旋光束中OAM态(涡旋拓扑荷)具有无限取值可能性及其相互之间的正交性,从而可以为光通信系统提供一种全新型的物理自由度,被认为是下一代光通信网络一个十分重要的研究方向。近些年,OAM复用系统在扩大光通信系统信道容量方面已经表现出了良好的性能[28-30]。同时,在无线通信领域也面临信道容量扩大的应用需求,因此,很多学者认为OAM复用系统在射频段无线通信系统中也应该具有扩大信道容量的特性及巨大潜力,并对此展开了一系列的研究。2011年,意大利Tamburini等人[31]首次在射频波段成功实现了基于两个不同模式的轨道角动量的无线通信的实验。此后,如何将轨道角动量更好地应用到无线通信领域一直是广大研究人员的研究重点[32-34]。涡旋电磁波天线不仅在无线通信领域具有广阔的应用前景,在雷达成像与检测方面也具有巨大的潜在应用价值,2013年国防科技大学郭桂蓉课题组[35]首次提出了基于涡旋电磁波天线的雷达成像方法,利用涡旋电磁波可以实现目标成像在方位角向上的超分辨,可以为超分辨雷达成像提供一种新的技术途径。自此以后,为了提高成像分辨率以及扩大成像维度,国内相关学者分别提出了一些基于涡旋电磁波天线的雷达成像算法的改进措施[36-38]。涡旋电磁波的旋转多普勒效应可以实现目标旋转速度的高效检测,并且一系列的实验也验证了该方法的可行性[39,40];此外,一些学者也开始将涡旋电磁波天线与医学成像相结合,作为一种新型的疾病检测手段[41]

      所有涡旋电磁波的应用,都必须建立在所需求的涡旋电磁波存在的基础上,所以如何高效产生所需要的涡旋电磁波是该研究领域的研究基础,近些年来,也有很多的研究人员提出多种方法在射频波段产生涡旋电磁波。20世纪90年代,Turnbull等人[42]利用螺旋相位板,首次产生了毫米波频段的涡旋电磁波;2007年,B. Thidé等人[43]提出用圆形阵列天线调相的方法产生无线电频率的涡旋波,将涡旋电磁波的研究推广到更低频段。2018年,李龙等人[44]对涡旋电磁波的基本理论、传播以及应用已经进行了归纳,本文针对射频领域OAM涡旋电磁波天线更进一步地进行了较为全面的总结,主要介绍4种不同形式天线生成涡旋电磁波,包括有源的单一微带贴片天线、行波天线、阵列天线,以及无源的超表面天线,被设计出来产生不同特性的OAM电磁波。单一微带贴片天线由于其结构相对简单、尺寸较小以及制作成本较低的优势,在产生涡旋电磁波方面受到研究者的关注;行波天线可以在宽带范围内产生多OAM模式的涡旋电磁波,这一优点也恰恰能够满足通信系统扩大信道容量的要求,许多研究人员为了使系统更加实用化,所以在行波天线领域也进行了大量的研究;而阵列天线是现如今飞机以及雷达上应用最广泛的天线种类之一[45-48],也是射频波段产生OAM的主要方式,通过馈电,可以实现多OAM态的切换,但这种设计的难点在于其复杂的馈电网络,很多研究人员对这种相控阵的馈电网络做了设计和优化的工作;超表面是由亚波长大小周期性排列的超材料共振器组成,它可以通过改变共振器的形状和大小来实现电磁波振幅或相位上的突变,通过空间上合理排列超表面结构,可以有效产生、调控涡旋电磁波,相较于传统相控阵天线而言,超表面天线具有剖面低、馈电系统简单和易于波束成形等优点[49],但是存在阵列单元数量庞大、结构设计复杂以及体积笨重等缺陷,仍然需要进一步优化、研究。

      总之,随着涡旋电磁波天线研究的不断深入,在射频波段结构简单、整体剖面较低、易集成,并且能够在同一频率下生成多种模式轨道角动量的天线结构已成为涡旋电磁波天线日后发展的必然趋势。本文内容总共分为4个部分,第1部分为引言,概述了涡旋电磁波的起源、发展历程、及应用趋势;第2部分对涡旋电磁波理论基础进行了描述,将其与轨道角动量之间的关系做了说明,并给出了轨道角动量的基本概念和特性;第3部分重点介绍了单一微带贴片天线、行波天线、阵列天线以及超表面天线产生涡旋电磁波技术的研究进展,概括了每种类型天线所存在的优缺点,继而在这4类天线的基础上对今后的发展进行了总结和展望;第4部分简单概括了涡旋电磁波天线技术未来的应用前景,以及该研究领域未来的重点和难点。

    • 无线电技术因实现了对信息的便捷传输而蓬勃发展,随着当下5G时代的来临,以及人们的生活日益信息化和智能化,不断增多的通信业务使得不可再生的频谱资源日益紧缺。涡旋电磁波因携带有OAM这一继时域、频域、码域之外的新的自由度而受到人们的广泛关注。理论上,在任意频率下涡旋电磁波都具有无穷多个互不干扰的正交模态,利用这一正交模态可以有效地提升频谱效率与通信容量,因此涡旋电磁波逐渐成为国内外学者研究的热点。

      由经典电磁理论可知,电磁波在传输的过程中不仅携带有能量,而且还存在动量。与经典力学相似,电磁角动量定义为${ J} = { r} \times { P}$,电磁场中线动量的密度可以定义为${ p}={\varepsilon _{\rm 0}}({ E} \times { B})$。通过上述对角动量的定义,推导出角动量密度的方程可以表示为${ M}={\varepsilon _{\rm 0}}{ r} \times ({ E} \times { B})$。得到总的角动量J,必须要对角动量密度的方程进行积分,可得

      $ { J}={\varepsilon _{\rm 0}}\int {{ r} \times } ({ E} \times { B}{\rm )d}{ r} $

      其中,${\varepsilon _0}$是真空介电常数,EB分别代表电场强度和磁场强度。在经典力学和原子物理学中,角动量可以分解成自旋角动量和轨道角动量,即${ J} = { L} + { S}$,公式中L代表轨道角动量,S代表自旋角动量。而SL可以分别表示为

      $ \left. \begin{aligned} &{ L}{\rm = }{\varepsilon _{\rm 0}}\int {{\rm Re}\left\{ {{\rm i}{{ E}^{\rm{*}}}( \hat { L} \cdot { A})} \right\}} {\rm{d}}V\\ &{ S}{\rm = }{\varepsilon _{\rm 0}}\int {{\rm Re}\left\{ {({{ E}^{\rm{*}}} \times { A})} \right\}} {\rm{d}}V \end{aligned} \right\} $

      其中,A是矢量位,${\hat {{L}}}$可以表示为:$\hat {{L}}{\rm = - }{\rm{i}}({{r}} \times \nabla )$。通常来说,电磁场的自旋角动量与圆极化状态有关,而轨道角动量与电磁场的空间结构(比如相位结构、偏振结构等)有关。

      在光学中,Allen等人[11]提出了光子轨道角动量的概念,并证明了拉盖尔高斯光束中含有空间相位项${\rm e}^{{\rm{j}}l\varphi} $,对应于轨道角动量,并且对应数值为$l\hbar $。典型的拉盖尔高斯光束光场分布可以表示为

      $ \begin{split} {\rm{L}}{{\rm{G}}_{p{,}l}}\left( {{r}{,}\varphi {,}{z}} \right)=\;&\sqrt {\frac{{{2}{p}{!}}}{{\left( {{\pi}\left( {{p}{ + }\left| {l} \right|} \right){!}} \right)}}} \frac{{1}}{{{w}\left( {z} \right)}}{\left( {\frac{{{r}\sqrt {2} }}{{{w}\left( {z} \right)}}} \right)^{\left| {l} \right|}}\\ & \cdot{L}_{p}^{\left| {l} \right|}\left( {\frac{{{2}{{r}^{2}}}}{{{{w}^{2}}\left( {z} \right)}}} \right) \times {\rm{exp}}\left( {\frac{{{ - }{{r}^{2}}}}{{{{w}^{2}}\left( {z} \right)}}} \right)\\ & \cdot{\rm{exp}}\left( {\frac{{{ - }{\rm{i}}{k}{{r}^{2}}{z}}}{{{2}{R}\left( {z} \right)}}} \right)\\ & \cdot{\rm{exp}}\!\left[ {{\rm{i}}\left( {{2}{p}{ + }\left| {l} \right|{ + 1}} \right){\rm{ta}}{{\rm{n}}^{{ - 1}}}\frac{{z}}{{{{z}_{\rm{R}}}}}} \right]\!{\rm{exp}}\left( {{\rm{i}}{l}\varphi } \right) \end{split} $

      其中,l为OAM模式数,或称作拓扑荷数,$p$为径向模式值,代表沿半径方向的相位变化。${w}\left( {z} \right) = {{w}_0}\sqrt {1 + {{\left( {{z}/{{z}_{\rm{R}}}} \right)}^2}} $, ${w_0}$是高斯项光束半径,${{z}_{\rm{R}}} = \pi {w}_0^2/\lambda $表示瑞利距离,$L_p^{\left| l \right|}$为拉盖尔多项式。由于光束携带了相位因子${\rm e}^{{\rm{j}}l\varphi} $,其波前相位便不再是连续的平面或球面分布,而具有螺旋结构。同样,贝塞尔(Bessel)光束也具有类似的螺旋相位结构[50],表达式为

      ${\rm{BG}}\left( {r,\theta } \right){ = }{{J}_{l}}\left( {\alpha {r}} \right){\rm{exp}}\left( {{\rm{i}}{l}\varphi } \right){\rm{exp}}\left( {{ - }\frac{{{{r}^{2}}}}{{{{w}^{2}}}}} \right)$

      其中,$\alpha $是横向波数,l为贝塞尔函数的阶数,也是BG光束的OAM模式数。携带有不同OAM模式数的LG光束和BG光束均满足相互正交性,因此在光通信领域得到了广泛的关注和研究。

      受光频段OAM模式产生的启发,B. Thidé等人[43]将OAM引入微波频段,提出电磁涡旋的概念,将具有轨道角动量的电磁波称为涡旋电磁波。常规球面电磁波其能量由中心向外呈现辐射状,在以能量中心为原点的环形波束上,其相位是一个固定值,相位波前是平面或球面。对于涡旋电磁波,其能量呈现环状,在以能量中心为原点的环形波束上,其相位呈现均匀分布,环上任意两点之间存在着与拓扑荷相关的相位梯度,并且其相位波前为螺旋状。同时,在涡旋电磁波垂直于传播轴方向的中心点上具有相位不确定的特性,也被称之为相位奇点,所以涡旋波中心位置的电场强度为零。而当拓扑荷数为0时,相位和幅值分布呈现平面波或球面波分布,没有螺旋相位结构,也不存在相位奇点,如图1所示。

      图  1  不同模式OAM波束图

      Figure 1.  Different modes OAM beam pattern

    • 涡旋电磁波天线已成为当前天线研究领域的一大热门话题,多种结构形式的天线已经被用于实现涡旋电磁波的产生。本文将探讨有源的单一微带贴片天线、行波天线、阵列天线以及无源的超表面天线这4种形式的天线生成OAM的方法,并分析它们所展现出的各自独特的优势以及未来的发展趋势。

    • 单一微带贴片天线由于其结构简单、易于实现,大大地降低了制作成本,因此在射频波段生成轨道角动量方面具有较高的研究意义。单一微带贴片天线产生轨道角动量主要分为两种方式:第1种是单馈点输入,通过改变天线结构让电流在天线单元上至少能够产生360°的相位变化,从而辐射出涡旋电磁波;第2种是双馈点输入,通过改变天线输入电流的相位差异和幅度大小使其能够满足产生涡旋电磁波的条件。一般来说,单馈点输入相对于多馈点输入的天线结构更为简单,操作起来也比较方便,在节约成本上具有更明显的优势。

      通过单馈点和双馈点给单一的微带贴片天线馈电产生轨道角动量按照天线结构又可以划分为规则形状、不规则形状以及环形嵌套结构等。目前,对于不规则形状来说,典型的代表是利用单馈点馈电的F形结构[51],如图2(a)所示,给出了对应的结构原理图、实物图以及仿真相位分布图,通过多个不规则的F形结构组成阵列与移相器相结合产生涡旋电磁波,但是这种结构存在明显的缺点,需要借助额外的移相器实现各个单元上的相位改变,这样大大地增加了制作成本;而对于利用规则形状的单微带贴片来说,实现轨道角动量的方式更为简单,并且不需要组成阵列和借助额外的移相器,例如规则的椭圆形结构[52]和规则的正八边形结构[53],如图2(b)图2(c)所示,通过单个馈点给天线输入电流使其产生不同的谐振模式,从而辐射出相对应的涡旋电磁波,相对于不规则形状生成涡旋电磁波的方法,这种形式大大地降低了制作成本。而图2(b)图2(c)所示规则天线结构可以通过改变馈电在天线结构上的位置使得能辐射出两种不同模式的轨道角动量;为了能够实现在同一结构上产生不同的OAM模式,提出一个简单的一分二型功分网络[54],如图2(d)所示,通过双馈点给圆形微带贴片天线输入等幅相位相差90°的电流,在不同频率下激发不同简并模,最终使得天线能够在不同频率下同时产生不同模式的轨道角动量,也就是在1.62 GHz下能够产生的拓扑荷数为1,在2.73 GHz下能够产生的拓扑荷数为2,以此解决了一个结构对应只存在一种拓扑荷的缺点,但由于不同模式拓扑荷在同时存在同频率下,进而造成了产生轨道角动量模式纯度不是很高的缺陷,所以这也需要再做进一步研究。

      图  2  单一微带贴片天线

      Figure 2.  Single microstrip patch antenna

      上述几种典型的不规则以及规则的单微带贴片天线通过单馈点和双馈点能够产生不同模式的拓扑荷,但在射频波段对涡旋电磁波产生最终的研究方向是为了能够在同一频点下产生不同模式的拓扑荷,以此能够有效增加通信的信道容量。所以在上述几种结构基础上,相关学者通过采用单馈点和双馈点馈电的环形嵌套的单微带贴片天线实现在同一频率下产生不同的拓扑荷,如图2(e)所示,提出一种采用双馈点环形嵌套结构[55],控制环形结构尺寸大小与馈电位置之间的关系,使得能够在同一频率下产生不同模式的拓扑荷,但是这种结构相对来说比较复杂,每一个环形结构都需要采用两个馈点。为了减化结构的复杂度,提出了一种单馈点环形嵌套结构[56],如图2(f)所示,分别给每一个环形结构单独进行馈电,最终使得在4.65~5.20 GHz下能够同时产生拓扑荷模式数2和3的涡旋电磁波,但是这种结构由于是多个环形进行嵌套,从图2(f)的实测相位分布图可以看出,这种天线结构虽然能够在较宽范围内同时存在两种不同模式,但是两个环形结构之间距离相距较近,隔离度不高,所以造成两种模式的纯度都不是很高,这也需要研究者继续做更多的探索。

      2019年,合肥工业大学郭忠义课题组[57]提出一种圆锥共形的环形贴片天线结构产生不同模式的涡旋电磁波,如图3所示,采用单馈点输入的环形天线结构保留了结构简单的优势,通过改变馈电位置可以在同一频点辐射出不同模式轨道角动量,在环形结构上挖去矩形凹槽可以使得天线辐射出不同模态的圆极化波,更重要的是,采用这种圆锥共形结构的介质基底形状可以提高天线的增益,最后通过实验结果与仿真结果的对比验证了该设计的可靠性,这种结构也是现有使用单一的微带贴片天线产生高增益、不同模式轨道角动量的一种崭新的技术途径。后续还可以将该结构与意大利罗马尼科洛库萨诺大学团队做的嵌套结构[58]相互结合起来,可以在环形结构上同一频率下产生高增益、携带多个不同模式的拓扑荷。表1给出了以上介绍的单一微带贴片天线产生涡旋电磁波对应的主要性能参数。

      图  3  圆锥共形贴片天线[57]

      Figure 3.  Conical conformal patch antenna[57]

      天线类型单位时间天线尺寸($ \lambda_0 $)工作频率(GHz)OAM模式增益(dB)
      不规则F形结构[51]北京邮电大学20171.02×1.25×0.0617.00+1/
      规则的椭圆形结构[52]意大利尼科洛库萨诺大学20140.80×0.80×0.012.40+1, +2/
      规则的正八边形结构[53]西安电子科技大学20191.24×1.24×0.022.47+1, –14.8
      规则的圆形结构[54]厦门大学20190.27×0.27×0.01
      0.46×0.46×0.02
      1.62
      2.73
      +1
      +2
      /
      双馈点环形嵌套结构[55]成都电子科技大学2017$ \Phi $2.26×0.035.65+1, –2/
      单馈点环形嵌套结构[56]中国人民大学20181.00×1.00×0.134.65~5.20+2, +31.5, 1.8
      单馈点圆锥共形结构[57]合肥工业大学2019$\Phi $0.53×0.022.40±1, ±26.6
      单馈点环形嵌套结构[58]意大利尼科洛库萨诺大学2017$\Phi $1.00×0.012.00+1/

      表 1  单一的微带贴片天线结构产生的涡旋电磁波的性能

      Table 1.  Performances of generating vortex electromagnetic waves a single microstrip patch antenna structure

    • 2015年,浙江大学郑史烈教授等人[59]提出了一种圆形行波天线用来产生OAM波,天线结构由一个金属环形缝隙腔和两个馈电端口构成,馈入等幅、相位相差90º的信号,在金属环形腔内部激发行波电流分布,产生的电磁波从腔体顶部的小环形槽辐射出去,如图4(a)所示,随后,他们在腔体的窄边外沿加了环形喇叭结构使能量集中辐射[60],如图4(b)所示。与此同时,为解决射频波段OAM模式之间复用的难题,该团队又采用了2个环形金属腔[61],如图4(c)所示,实现4个OAM波束的复用,同时添加了2个反射板提高天线的增益和定向性,减小了OAM发散角,使涡旋电磁波传输距离更远。

      图  4  谐振腔行波天线

      Figure 4.  Cavity traveling wave antenna

      这种环形谐振腔的行波天线仅可以产生1组对应模式,且仅可以在窄带范围内产生涡旋波,这大大限制了OAM模式的正交复用性。为了利用轨道角动量来提高电磁波的频谱利用率和成像分辨率,如何产生宽带多OAM模式复用的涡旋电磁波,一直是研究者的关注重点之一。而螺旋形行波天线由于其本身的非频变特性和易嵌套的特点,可以被用来产生宽带多OAM模式的涡旋电磁波,因此更加受到人们的关注。

      文献[62]利用单臂阿基米德平面螺旋天线在不同频带范围产生不同OAM模式的涡旋电磁波,采用环形电流环原理,从理论上推导证明了阿基米德平面天线产生涡旋场的可能性,并通过仿真和实验分别进行了验证。所设计的单臂阿基米德平面螺旋天线可以分别在1.30~3.25 GHz, 3.45~6.10 GHz以及6.25~10.50 GHz范围内产生OAM模式为1, 2和3的涡旋电磁波,具体结构及实验结果如图5(a)所示。文献[63]提出一种小型化的嵌套立体螺旋天线,如图5(b)所示,采用柔性介质材料来加载螺旋天线,并在保证一定隔离度的前提下实现双环嵌套,可在4.80~5.20 GHz产生OAM模式数为2和3的涡旋电磁波,实现同频段的OAM模式复用。如图5(c)所示的四臂等角平面螺旋天线结构[64],可在一定的带宽范围内实现4种OAM模式涡旋电磁波的产生。

      图  5  螺旋行波天线

      Figure 5.  Spiral traveling wave antenna

      基于上述研究,2019年合肥工业大学郭忠义课题组[65]提出了一种基于内外臂端双馈电的双臂阿基米德螺旋天线,如图6所示,可以实现在不同频点产生不同OAM模式的涡旋电磁波,以及在相同频点实现不同OAM模式,通过改变内外馈电方式实现相反OAM模式的产生。最终该结构在3.00 GHz, 4.00 GHz以及4.80 GHz的频点下产生OAM模式数为±1, ±2和±3的涡旋电磁波。同时,在此基础上还进一步通过加腔的方式提高了增益(6.70~10.00 dB)和减小了发散角,增大涡旋电磁波的传输距离,以适用于OAM多路复用通信系统。

      图  6  内外双馈双臂阿基米德螺旋天线[65]

      Figure 6.  Inner and outer dual-fed dual-arm archimedean spiral antenna[65]

      同年,郭忠义课题组[66]还提出了另外一种立体螺旋涡旋电磁波天线,结构如图7(a)所示。通过理论分析模式数与螺旋尺寸以及波长的关系,最终在0.76 GHz, 1.55 GHz, 2.45 GHz 3个频点下产生了OAM模式分别为0, 1和2的涡旋电磁波。同时,为解决单臂螺旋辐射场不均匀、产生涡旋波模式较低的问题,在单臂结构的基础上,还采用了具有对称结构的双臂螺旋来对辐射场进行改善,并通过馈电网络简化双臂螺旋的馈电结构。该团队还通过加载圆环金属片来降低螺旋结构的高度,以及在外部加载柱形腔来减少背部辐射。环形金属片顶部的介质板可进一步提高增益,使得天线具有更好的方向性。这一低剖面、高增益和模式可调的涡旋电磁波天线在无线通信中具有广泛的应用前景。

      图  7  立体螺旋天线[66]

      Figure 7.  Three-dimensional helical antenna[66]

      根据双臂平面螺旋天线产生涡旋电磁波的原理[67-69],为了解决OAM多路复用通信的问题,合肥工业大学郭忠义课题组与电子科技大学宫玉彬教授课题组[67]合作又提出了一种三环嵌套的平面等角螺旋线,如图8所示,该天线的微带馈电网络结构简单,通过调控3个嵌套环的半径,可以实现在3.00 GHz同时产生模式数为1, 3和5的OAM电磁波,同时,在螺旋结构与馈电网络之间设置的金属反射器,可以提高辐射指向性,减小射频同轴电缆的影响。该嵌套多臂螺旋天线在多OAM模式实现多路复用中具有较大的应用潜力。表2给出了以上介绍的行波天线产生涡旋电磁波对应的主要性能参数。

      图  8  三环嵌套平面等角螺旋线[67]

      Figure 8.  Three-ring nested plane equiangular helix[67]

      天线类型单位时间天线尺寸(λ0)工作频率(GHz)OAM模式增益(dB)
      环形谐振腔天线[5961]浙江大学2015/10.002, 3, 4/
      2017Φ4.1210.00±33.39
      2017Φ20.00×8.4310.00±218.85
      ±319.75
      单臂阿基米德平面螺旋天线[62]云南大学2017Φ0.76×0.011.30~3.251/
      Φ1.57×0.023.45~6.102
      Φ2.79×0.036.25~10.503
      嵌套三维立体螺旋线[63]空军工程大学2019>Φ0.904.80~5.2027.60
      3
      加腔内外馈电阿基米德螺旋线[65]合肥工业大学20192.60×0.803.00±16.70~10.00
      3.47×1.074.00±2
      4.16×1.284.80±3
      加腔三维立体螺旋线[66]合肥工业大学2019Φ0.51×0.130.7604.55
      Φ1.03×0.261.551
      Φ1.63×0.412.452
      四臂等角平面螺旋天线[64]电子科技大学2019Φ2.13×0.035.60~6.000/
      –1
      –2
      –3
      三环嵌套平面等角螺旋线[67]电子科技大学2019Φ3.00×0.573.0016.94
      36.76
      55.49

      表 2  报道的行波天线结构产生OAM波的性能

      Table 2.  Reported performances of generating OAM wave from traveling wave antenna structure

    • 阵列天线产生涡旋电磁波是目前发展较为成熟的一种方法,相较于其他天线,阵列天线的设计原理简单、结构灵活,可以通过控制相位产生不同模态的OAM电磁波。目前,已有多种不同阵元结构的阵列天线被提出并用于产生OAM电磁波,如偶极子天线阵列、微带贴片天线阵列、Vivaldi天线阵列、喇叭天线阵列等。

    • 偶极子天线是使用最早、结构最简单并且应用最广泛的一类天线。2007年,瑞典乌普萨拉大学B. Thidé等人[43]首次将轨道角动量相关理论应用于低频(<1.00 GHz)无线电领域,设计出以偶极子天线为单元的圆形相控阵天线来产生涡旋电磁波,该研究团队还利用电偶极子阵列[70]产生了模式数为1和2的线极化涡旋电磁波,并对天线阵列的方向性等进行了系统分析,具体结构图及结果如图9(a)所示。文献[71]提出了一种由蝴蝶结偶极子阵元和宽带移相馈电网络组成的天线阵列,可在2.10~2.70 GHz产生模式数为±1的圆极化OAM电磁波,具体结构图及实验架构如图9(b)所示,该阵列提供了4个正交信道用于OAM通信,误码率低于4.2×10–3

      图  9  偶极子阵列天线

      Figure 9.  Dipole array antenna

    • 相较于偶极子天线阵列,微带贴片天线阵列的阵元间受互耦效应影响小,同时还具有低剖面、结构简单、成本小的优点。2014年,谢菲尔德大学Tennant等人[72]提出了一种矩形微带贴片阵元和微带移相馈电网络组成的相控阵天线,如图10(a)所示,并首次在10 GHz下通过实验证明可以产生l=±1的涡旋电磁波。此后,微带贴片天线阵列得到广泛关注和研究,文献[73]设计出一种带有移相功能的圆形功分器结构,天线结构紧凑、容易实现,适用于无线电通讯和雷达应用。文献[74]首次将贴片阵列天线用于通信实验,在5.75 GHz下产生了模式数为0和±1的OAM电磁波并进行了OAM多路复用实验,实验证明了OAM不仅可以提高通信的信道容量,还可以在物理层面上增强通信的安全性。文献[75]首次使用数控方法控制相位,通过FPGA设备控制数字基带信号,实现OAM在射频波段的动态配置。文献[76]中采用多层结构的圆形阵列天线实现了双OAM模式的产生,并且交叉耦合较低。文献[77]提出了一种低剖面的微带矩形阵列天线,通过U形和M形微带馈电线激励准十字形孔径来得到两个正交极化,从而实现了在不同极化下产生不同的OAM模式,具体结果如图10(b)所示。为了实现用1个阵列天线生成多个OAM模式,文献[78]提出了极化和OAM模式都可重构的宽带贴片阵列天线,利用开关二极管组成的可调馈电网络,可以产生+1模式的左旋圆极化波和–1模式的右旋圆极化波。文献[79]也使用了开关二极管电控的方式实现了OAM模式可重构,在5.50~6.10 GHz和5.65~6.10 GHz下产生了±1, ±2和0的OAM电磁波,具体结果如图10(c)所示。图10(d)中的八边形贴片天线阵列[53],利用单元结构的高阶模式,突破了传统情况下产生OAM模式所需阵元个数的限制,只需4个贴片单元即可在2.40 GHz下产生模式数为–2的OAM电磁波。文献[80]提出了一种简化馈电网络的方法,通过引入最优参考相位来减少所需相位个数,只需6种相位个数即可在2.33~2.73 GHz频率范围内分别产生模式数为±1, ±2, ±3的OAM涡旋电磁波。此外,还有一些天线阵列可以实现结构小型化[81]、高增益[82]、不同极化[83]、不同角度[84]、高阶模式[85]和可用于短距离通信[86]的OAM波。微带贴片阵列天线和其他天线阵列相比,易于得到不同极化形式的OAM波,并且天线剖面较低,但馈电网络的设计较为复杂,较难做到同时生成不同模态的OAM电磁波,还需要做更加详细深入的研究以进一步优化。

      图  10  微带贴片阵列天线

      Figure 10.  Microstrip patch array antenna

    • 除了常用的偶极子和微带贴片天线阵列,研究人员还提出了多种不同阵元形式的天线阵列产生OAM波,如Vivaldi天线阵列、喇叭天线阵列、谐振腔天线阵列、单臂螺旋天线阵列等,这些天线阵列在OAM电磁波的产生中各有优势。Vivaldi天线阵列具有宽带、高增益、易集成的特点[87]图11(a)所示的一种结构紧凑的宽带Vivaldi天线阵列[88],将8个Vivaldi天线单元依次折叠构成空心圆柱体,可在2.70~2.90 GHz产生模式数为0, ±2的涡旋电磁波。喇叭天线的辐射方向性良好,增益较高,因此,也经常被用作阵列天线单元,图11(b)中的圆形喇叭天线阵列[89],可实现3种偏振态下模式数为0, ±1, ±2, ±3, ±4的OAM电磁波;文献[90]在X波段采用圆形喇叭天线阵列产生高阶OAM电磁波,可用于涡旋电磁波雷达成像;文献[91]提出的水浸式圆形喇叭天线阵列,能在纯水中产生模式数为0, 1, 2, 3的涡旋电磁波,有利于提高水下微波成像系统的分辨率;文献[92]利用Rotman结构对三单元喇叭天线阵列馈电,以产生多模式的OAM。图11(c)所示的圆柱形介质谐振器天线阵列[93],通过正确地选择基片的介电常数和高度,可以避免传输线的损耗和表面波的产生。文献[94]提出了一种利用表面等离子体激元实现多模式OAM的全新设计,可以简化涡旋波束的产生。此外,文献[95]提出的单臂阿基米德平面螺旋天线阵列,通过机械旋转和微带馈电网络对天线单元附加相位,可分别在3.40~3.90 GHz, 3.40~4.10 GHz以及3.90~4.70 GHz的频率范围内产生OAM模式为1,2和3的涡旋电磁波,如图11(d)所示。相比于偶极子天线阵列和微带贴片天线阵列,其他结构的天线阵列有着独有的优点与发展前景,今后,将会有更多结构独特的天线阵列被提出,以适用于无线通信、雷达成像、遥感探测等不同方向。表3列出了一些目前报道的阵列天线产生的OAM波及其性能。

      图  11  其他阵列天线

      Figure 11.  Other array antennas

      阵元结构单位时间天线尺寸(λ0)工作频率(GHz)OAM模式增益(dB)
      微带贴片英国谢菲尔德大学[72]2014Φ2.00×0.0510.00±12.45
      法国雷恩第一大学[73]20150.91×0.69×0.012.50+1/
      意大利帕多瓦大学[74]2015Φ1.60×0.015.750, ±18.35
      上海交通大学[83]20161.67×1.67×0.104.80±19.00
      清华大学[75]20172.03×2.03×0.011.900, ±1, ±2, ±3/
      复旦大学[76]2017Φ4.84×0.035.72~5.95±1/
      中国科学院大学[86]2017Φ6.008.00~12.000, +1, +2, +3/
      西安电子科技大学[53,77,80,82,84]20172.20×2.00×0.105.40~5.60–1
      +1
      7.35
      8.05
      3.10×3.10×0.079.70~10.700
      ±1
      ±2
      ±3
      14.15
      9.55
      9.25
      8.95
      20190.61×0.61×0.022.40–1,–2/
      Φ3.33×0.062.33~2.73±1, ±2, ±36.35
      Φ1.90×0.065.800, –1, –2, –3>6.55
      湖南大学[78]20181.28×1.28×0.072.50+1
      –1
      3.15
      3.05
      内蒙古科技大学[79]2018Φ5.60×0.055.50~6.10
      5.65~6.10
      ±1
      ±2
      0
      9.15
      4.05
      7.45
      电子科技大学[33]20194.85×4.85×0.1413.50~16.70–1, –2/
      韩国牧园大学[85]20197.50×7.5018.00+5/
      北京邮电大学[81]2019Φ1.00×0.021.55±1, +2/
      喇叭上海交通大学[89]2015Φ4.002.200, ±1, ±2, ±3, ±48.75
      国防科技大学[90]2016Φ10.009.900, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7/
      浙江大学[92]20168.86×9.06×0.029.700, ±18.48
      电子科技大学[91]2018Φ0.80×0.342.450, +1, +2, +3/
      偶极子瑞典乌普萨拉大学[43,70]2007Φ4.001.00+1, +2, +4/
      2010Φ1.502.40+1,+2/
      华南理工大学[71]20171.76×1.76×0.012.10~2.70±1/
      Vivaldi北京理工大学[87]2013Φ1.57×1.206.000,±1,±2,±3,+47.00
      电子科技大学[88]2018Φ0.51×0.402.70~2.900, ±2/
      谐振腔华中科技大学[93]2016Φ1.00×0.163.50+1, +2/
      表面等离子体激元东南大学[94]2018Φ3.20×0.065.50
      5.80
      6.00
      6.30
      6.60
      –2
      –1
      0
      +1
      +2
      /
      单臂螺旋西安电子科技大学[95]2018Φ5.33×0.473.40~4.70+1, +2, +38.50

      表 3  阵列天线结构产生的OAM波的性能

      Table 3.  Reported performances of OAM wave generated by array antenna structure

    • 利用相控阵列天线产生OAM波需要复杂的馈电网络,在实际应用中仍然具有较大的局限性。因此,近几年来,提出了利用电磁超表面技术产生OAM波,并且在射频波段获得众多研究学者的广泛关注。超表面是一种超薄的2维阵列表面,由亚波长大小周期性排列的超材料谐振单元组成,它可以通过改变谐振单元的形状和大小来实现电磁波振幅或相位上的突变[96]。相较于传统相控阵天线而言,超表面天线具有剖面低、馈电系统简单和易于波束成形[97]等优点。目前用于产生OAM波的超表面天线可分为4类:反射型超表面、透射型超表面、全息超表面和数字编码型超表面。其中,反射型超表面和数字编码型超表面由于结构工艺简单、调控多样化等优势,其发展前景被研究人员看好。

      2016年,西安电子科技大学研究团队[98-100]分别利用矩形贴片单元、偶极子单元和“十字型”贴片单元[100]的反射型超表面实现了单一的OAM波、角度分离OAM波和极化分离OAM波的产生,并进行了相应的仿真和实验验证,如图12(a)图12(b)所示。次年,该团队实现了混合模式OAM波的产生,并对产生的OAM波进行了有效的接收和模式分离[101]。随后,该团队继续研究了不同极化的OAM波的产生(线极化、左旋圆极化和右旋圆极化)[102],如图12(c)所示;在相互正交的极化方向上实现了在两个波段下(C波段和X波段)产生了模式为±1的OAM波和宽带(9~11 GHz)的OAM[103,104]。近两年来,利用反射型超表面天线产生OAM波引发热潮,文献[105]利用双层反射板结构实现了低发散角的OAM模式,产生的OAM波可以传输较远的距离(46.9λ0),如图12(d)所示。文献[106]通过可调的移相馈电网络实现了模式数l=–1, 0, 1的可重构OAM波的产生。文献[107]利用Pancharatnam-Berry相位产生了宽带的OAM波,实现了带宽范围在6.95~18.00 GHz的涡旋电磁波的产生。此外,也有很多研究人员关注多模式和高阶模式的涡旋波的产生[108-110],通过调节结构的尺寸参数,可以实现2π的相位覆盖,继而可以实现不同的OAM模式。以及文献[111]中利用小型化的反射型超表面天线实现了不同模式的OAM波的产生,如图12(e)所示,利用双环型的结构作为谐振单元(0.38λ0×0.38λ0),大大减小了阵列的整体尺寸。文献[112]中在同一平面结构下分别利用Pancharatnam-Berry相位和谐振相位在不同波段产生了不同模式的OAM波,如图12(f)所示,通过调控矩形结构单元的角度和“工”字型结构的尺寸分别在5.20 GHz和10.50~12.00 GHz下产生了模式为1和2的OAM波。

      图  12  反射型超表面产生OAM波

      Figure 12.  The reflected metasurface generates OAM waves

      2019年,合肥工业大学郭忠义研究团队[113]利用高阶相位的概念和二极管组成的可调相位网络结构实现了可重构的OAM波的产生,如图13所示。相较于上述超表面结构,该超表面可以实现±1, ±2, ±3阶OAM模式,大大提高了结构的利用效率。并且,产生的不同模式的OAM波均工作在同一频率,这也便于将OAM复用技术应用在通信系统当中。此外,该结构还可以实现电磁波束的扫描(–55°~55°)和聚焦,拓宽了天线的使用范围。反射型超表面结构简单,功能多样化,是超表面天线产生OAM波的一个重要研究方向,当前反射型超表面产生涡旋波仍然有较大限制,今后学者们可以围绕模式可重构、角度的复用和宽频带等几个方面做进一步的研究。

      图  13  基于二极管可调相位网络结构实现可重构的OAM波[113]

      Figure 13.  Reconfigurable OAM wave based on diode phase adjustable network structure[113]

      在反射型超表面广泛应用的同时,透射型超表面也逐渐走进人们的视野。早在2015年,北京大学研究团队[114]就利用透射型超表面产生了模式为2的OAM波,如图14(a)所示,左旋圆极化的平面波通过超表面以后形成了右旋圆极化的涡旋波。近几年来,透射型超表面也得到了广泛的关注。文献[115]利用幅度-相位双调控的方法有效的减小了涡旋波的发散角。文献[116]中,通过4层金属和3层介质的结构单元实现了发散角为9°、模式为l=1的OAM波的产生。文献[117]在不同极化下分别产生了模式为0和1的OAM波,如图14(b)所示。文献[118]利用超表面透镜实现了OAM波的聚拢,将原本50°的发散角减小到了22°。文献[119,120]中,通过调控超表面的单元尺寸分别实现了极化转换和角度分离的OAM波的产生,如图14(c)所示,在不同角度下分别产生了模式为l=–2, –1, 0, 1, 2的OAM波。文献[121]中利用13层的单元结构结合PIN二极管,实现了模式可重构的涡旋波。文献[122]中采用单层超薄(厚度为0.05λ0)的结构分别产生了模式为1和2的涡旋波。此外,还有通过小型化[123,124]和单层结构[125]产生OAM波,以及文献[126]中利用全介质超表面实现了极化分离的OAM波,如图14(d)所示,在TE和TM入射波下分别产生了模式为–1和2的OAM波。相较于反射型超表面,透射型超表面产生的OAM波不易受到入射波的影响,模式纯度更高,但是透射型超表面结构更加复杂,通常需要多层结构,增大了工艺难度,并且辐射增益较低,这也需要做进一步的研究。

      图  14  透射型超表面产生OAM波

      Figure 14.  The transmitted metasurface generates OAM waves

      除了传统的反射型和透射型超表面以外,香港大学[127]和西安电子科技大学[128,129]均提出了利用全息超表面这一新型结构来产生OAM波,如图15所示。图15(a)中,在不同角度下分别产生了模式为–1和1的OAM波。图15(b)中,利用结构单元的不同排布分别产生了拓扑荷为2和4的OAM波。全息超表面将全息算法与超表面相结合,实现更加精准的波束控制,产生的OAM波模式纯度高且发散角较小,并且可以实现OAM波角度的调节,缺点是算法比较复杂且计算量大,目前研究较少。

      图  15  全息超表面产生OAM波

      Figure 15.  The holographic metasurface generates OAM waves

      此外,西安电子科技大学[130,131]和空军工程大学[132-134]又提出了一种新的数字编码型超表面产生OAM波,其中,西安电子科技大学研究团队实现了可重构的OAM波的产生;空军工程大学研究团队分别产生了角度分离和模式分离的OAM波,如图16所示。与此同时,东南大学崔铁军教授课题组利用数字编码Pancharatnam-Berry相位[135]、极化分离数字编码[136]和全空间数字编码[137]等方式实现了多模式OAM波束辐射。与传统超表面相比,数字编码型超表面单元的相位由有限个二进制数值来组成,大大简化了计算的复杂度;与此同时,产生的涡旋波仍然保持较好的螺旋相位特性,也使得其具有研究价值。这一新型超表面天线未来可能在OAM波的产生等方面发挥重要作用。表4列出了一些目前报道的产生OAM波的超表面天线及其性能。

      图  16  数字编码型超表面产生OAM波

      Figure 16.  The digitally encoded metasurface generates OAM waves

      天线类型单位时间天线尺寸(λ0)工作频率(GHz)OAM模式增益(dB)
      反射型超表面西安电子科技大学[98104]201610.00×10.00×0.125.801; 2; 4/
      201610.00×10.00×0.125.80x极化1, y极化2/
      201610.00×10.00×0.075.50~6.501, 1; 1, 2/
      201710.00×10.00×0.075.801, 2/
      201812.60×12.60×0.2210.001/
      20188.82×8.82×0.16
      14.70×14.70×0.26
      6.00
      10.00
      1, –1(±30°)
      1, –1(±30°)
      17.7
      19.8
      201810.50×10.50×0.139.00~11.00119.9
      衡阳师范学院[107]20176.72×6.72×0.136.95~18.001; 2/
      浙江大学[108]2017Φ7.00×0.1010.000; 1; 210
      东南大学[105]201812.50×12.50×3.0040.25–1/
      安徽大学[106]20192.38×2.38×0.075.00~6.30–1, 0, 111.05
      南京航空航天大学[109]2019Φ6.46×0.1518.00~42.001, 3/
      北京邮电大学[110]2019Φ15.00×0.105.00~7.50417.93
      华南理工大学[111]20193.87×3.87×0.115.801; 2; 3; 415.4
      中国科学院[112]20198.50×8.50×0.10
      4.20×4.20×0.05
      5.20
      10.50~12.00
      1
      2
      /
      合肥工业大学[113]20193.50×3.50×0.10300.00–1, –2, –3, 1, 2, 3>20
      透射型超表面北京大学[114]20155.00×5.00×0.0811.802/
      香港大学[119,120]20179.60×9.60×0.0517.852; 4/
      20174.58×4.58×0.0517.85–1, –2, 0, 1, 2/
      浙江大学[121]20186.90×7.30×2.6010.00–1, –2, –3, –4 1, 2, 3, 4/
      南京理工大学[126]20189.40×9.40×0.7632.90~36.80x极化–1, y极化215
      西安电子科技大学[115118]201718.60×18.60×0.6810.002/
      20184.67×4.67×0.1510.00114.5
      20189.20×9.20×0.2313.00~15.00x极化0, y极化126, 20
      20194.80×4.80×0.209.60~10.321; 2; 3/
      上海交通大学[122]20196.00×6.00×0.0510.001; 2/
      哈尔滨工业大学[123]20198.00×8.00×0.1510.00~11.301/
      空军工程大学[124]20194.88×4.88×0.1414.001/
      中国科学院[125]20195.25×5.25×0.1010.00210.85
      全息超表面香港大学[127]20163.50×3.50×0.106.202; 4/
      西安电子科技大学[128,129]201920.20×20.20×0.1120.00–1, 1(±30°)/
      201920.20×20.20×0.1120.001; 2; 3/
      数字编码型超表面西安电子科技大学[130,131]20186.30×6.30×0.044.751, 2/
      20186.67×6.67×0.045.001(0°, 30°)
      2(0°, 20°)
      /
      空军工程大学[132134]20189.00×9.00×0.066.001/
      20188.84×8.84×0.088.50x-极化–2, 2
      y-极化–1, 1
      /
      20195.85×5.85×0.077.10~7.50
      7.00~7.50
      –1
      1
      14.7
      11.1
      东南大学[135137]201712.00×12.00×0.1014.50~15.501(±30°)/
      2017Φ15.00×0.1515.00x-极化1
      y-极化–1
      /
      20194.80×4.80×0.0510.001, –1/

      表 4  产生OAM波的超表面天线及性能

      Table 4.  The metasurface antennas and their properties for generating OAM waves

    • 目前携带轨道角动量的涡旋电磁波在无线通信领域、雷达检测和成像领域都具有巨大的潜在应用价值,但是涡旋电磁波的产生方法并不是很完善,特别是宽带、多OAM模式的涡旋电磁波天线的设计仍然面临很大的挑战。

      本文主要针对现如今射频波段产生涡旋电磁波的天线结构进展进行综述及总结。简要介绍了涡旋电磁波的起源、发展历程及应用趋势;对涡旋电磁波理论基础进行了定性定量的描述;紧接着又分别介绍了单一微带贴片天线、行波天线、阵列天线以及超表面天线产生涡旋电磁波技术的研究进展,概括比对了每种类型涡旋天线所存在的优缺点,继而在这4类天线的基础上对今后的发展进行了总结和展望。

      在今后的研究中,如何设计制作结构更加简单、成本更低的涡旋天线,同时还能够产生宽带、多OAM模式、高质量的涡旋电磁波,将会是学界坚持不懈的努力方向;而且,不同模式的涡旋电磁波之间的复用,以及复合涡旋电磁波的解复用也将是未来人们的研究重点;涡旋电磁波在不同分散体系中的传输特性分析研究,亦将是涡旋电磁波应用领域所不得不面对的科学问题。涡旋电磁波各相关技术的进展和成熟,将会促进其在无线通信系统、涡旋雷达成像系统和医疗成像系统等领域发挥越来越重要的作用。

参考文献 (137)

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