文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.008
中文引用格式： 黨唯菓，朱永忠，余陽，等. 無線通信中的軌道角動量天線綜述[J].電子技術應用，2017，43(6)：33-36，44.
英文引用格式： Dang Weiguo，Zhu Yongzhong，Yu Yang，et al. A survey on orbital angular momentum antennae in wireless communication[J].Application of Electronic Technique，2017，43(6)：33-36，44.
0 引言
近年來，為緩解頻譜資源緊張與無線業務需求日益增長之間的矛盾，各種無線電技術應運而生。其中，軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)技術獨辟蹊徑，將傳統平面波扭曲成渦旋電磁波，利用不同模態渦旋電磁波間的正交性增大無線通信容量，引起了學界的廣泛關注。
OAM的存在雖早已被理論證明，但直至21世紀初才首先在光波段取得進展：1909年，Poynting從理論預測了電磁場角動量的力學效應；1992年，Allen發現OAM是螺旋相位光束的自然屬性；2004年，Gibson等人提出利用光的不同模態可進行信息的獨立調制和傳輸。隨著OAM在光通信中的應用日趨成熟[2]以及射頻頻譜資源日趨飽和，該技術開始被應用于射頻段。2011年，同頻帶下不同OAM模的兩路信號在442 m外被成功接收，初步驗證了OAM提升信道容量的可行性[1]。雖然還存在方向性欠佳、遠距離接收困難等局限，但OAM能極大提升頻譜利用率的可觀前景仍使相關研究方興未艾，相應收發天線的設計也成為目前的重點。為此，本文綜述了典型的OAM天線類型和具體實現形式，從實用角度總結了其各自方向圖、接收、解復用等方面的優缺點，指出了OAM天線目前存在的問題和解決方案，為下一步的發展提供參考。
1 OAM原理簡介
長期以來，無線通信的信息調制主要基于電磁場的線性動量，在時域、頻域上進行。然而，如經典電動力學理論所述，電磁場不但傳播線性動量，也傳播角動量J(Angular Momentum，AM)：
角動量J由軌道角動量L和自旋角動量(Spin Angular Momentum，SAM)S構成：
2 軌道角動量天線的常見形式
2.1 螺旋相位板天線(Spiral Phase Plate，SPP)
此種天線通過螺旋狀的空間結構，扭曲入射平面電磁波的相位波前，引入相位因子，使反射或透射波成為渦旋電磁波。SPP示意圖如圖2所示，這種方法直接源于光波段，是最早用于產生射頻OAM波的方法。通過改變螺旋相位板階梯高度Δｈ，可以產生多種模態值ｌ：
其中，ｌ為OAM模值，λ是透射波波長，n是相位板材料折射率。由于很難得到連續平滑的單階梯螺旋，實際中多采用多階梯相位板的近似形式。此外，SPP還有一種多孔結構。多孔型相位板具有隨方位角
變化的孔密度分布，從而引起介電常數的變化，引入隨
變化的相位延遲。實驗發現，類似于SPP用幾何結構引入螺旋相位的原理，由軸向模螺旋天線饋電的普通拋物面天線，也可產生單模OAM波[3]。
當模數較高時，Δｈ較大，SPP的加工難度增大，尤其是靠近傳播軸的圓心部分。一種模塊化的SPP由分別加工的獨立模塊拼接起來[4]，精度較好，實現了100 GHz上l=±10的OAM波傳輸。
目前，已有一種多信道SPP無線傳輸系統[5]使用5個SPP，實現了32 Gbit/s的總傳輸速率。SPP產生OAM波原理簡單，成本較低，但復用、解復用不夠方便，且波束能量分散，難以遠距離傳輸。
2.2 透射光柵天線
此種天線采取類似于SPP的思路，用透射光柵將平面波變為OAM波。用計算機仿真出所需OAM模的相位干涉圖案后，再根據仿真數據即可鉆刻出相應的介質光柵。
2.3 陣列天線
2.3.1 等距圓陣（Uniform Circular Array，UCA）
產生OAM波的等距圓陣包含N個等距分布在圓周上的相同陣元，相鄰陣元用等幅、相位差為
的激勵饋電，l為OAM模數，-N/2<l<N/2。在圓周上，隨著
從0到2π，N個陣元共引入2πl的相位差，形成螺旋形的相位波前。2010年，正是基于UCA，Mohammdadi等人首次系統地討論了產生射頻OAM的方法[6]。目前UCA仍是OAM天線的主要結構之一。UCA的一般形式如圖3所示。
UCA兩主瓣呈叉波束的形式。隨著傳輸距離增加，能量迅速分散，使OAM波接收困難。對此，經理論證明，一種偏角孔徑接收(Partial Angular Aperture Receiving，PAAR)的方法能用2π/N的角孔徑，對OAM模數為l+mN(l為基模，m為整數，N為陣元數)的諧波組正確接收并解復用[7]。PAAR與全角孔徑接收(Whole Angular Aperture Receiving，WAAR)對比如圖4所示，為了完全接收已因長途傳輸散開的OAM波束，WAAR將使接收天線很大。
減小叉波束夾角的一般的辦法有：增強陣元方向性、增大UCA陣直徑等。但UCA陣直徑越大，副瓣也越突出。另外，法布里-珀羅(Fabry-Perot，FP)腔也可以增強UCA的方向性。置于FP腔后，一種2.5 GHz的4元矩形貼片陣的增益被增大到16.2 dB[8]。
仿真一種6 GHz的8元維瓦爾第天線UCA時發現，由于陣元的寬帶特性，此種UCA產生l=±1的OAM波時沒有叉波束[9]。這是罕見的，有待進一步研究利用。
UCA傳輸OAM波時，收發天線陣應嚴格對正，使陣中心軸應位于一條直線上，否則信道容量會顯著降低，螺旋相位波前將被嚴重破壞，最低可使信道容量相對于收發天線對正時下降9.5~10 bps/Hz[10]。
另外，UCA的移相饋電網絡也將增加實際系統的復雜度。目前UCA饋電主要有微帶線[11-12]、巴特勒矩陣[13]、光實時延時技術（OTTD）[14-16]、時間選擇開關陣[17-18]等方案。
總體來說，UCA結構復雜，產生的OAM叉波束夾角較大，遠距離接收、解復用比較困難。
2.3.2 反射陣
此種陣列天線用單饋源向周期性單元組成的反射面饋電，以獲得反射的OAM波。反射陣不需要移相饋電網，結構比UCA簡單。一種32 GHz的折疊式反射陣OAM天線已被實現，它通過每個微帶陣元引起的相位延遲來形成渦旋相位[19]。
2.4 多點饋電的圓形諧振腔天線
在圓形諧振腔中，兩種本征模疊加可形成成OAM模；因此，多點饋電的圓形諧振腔可作為OAM波天線。此外，依據類似的原理，單點饋電的橢圓形諧振腔[20]和介質諧振器[21]也能產生OAM波。基于半模基片集成波導的雙模OAM天線結構如圖5所示[22-23]。
一種基于環形諧振腔的雙模縫隙天線已應用于毫米波段，能同時在同一方向產生l=±3的OAM波，且有較好的方向性[24]。
總體來看，多點饋電的圓形諧振腔天線結構緊湊，饋電簡單，方向圖相對于UCA更接近于全向天線；但實驗顯示目前其傳輸距離仍然較近，離實用尚有差距。
2.5 人工電磁表面天線
不同于SPP通過幾何形狀引入螺旋相位的方法，人工電磁表面天線通過人工設計的亞波長微結構單元改變入射平面波的電磁特性，從而獲得反射或透射的OAM波。人工電磁表面工藝相對復雜，可靈活調節入射波的極化、相位等特性，結構扁平易集成，應用前景廣闊。圖6所示為一種電磁超表面，可同時反射出兩種模態(l=1，2)的水平、垂直極化OAM波[25]。
3 總結與展望
在如何提高頻譜資源利用率這一長期課題上，OAM的應用標志著現代無線通信已向一個全新的方向邁出了第一步。當前，射頻OAM的應用基本限于高頻（如光波、毫米波）短距離通信，如室內環境的高速無線傳輸等。業界正致力于實現1 000 m內視距條件下OAM的可靠傳輸，高效可靠的天線是其中的關鍵。本文在綜述當前典型的OAM天線后認為，OAM走向實用，在天線方面還有如下問題：
方向圖特性欠佳。大多數OAM天線的方向圖都呈現不同程度的叉波束，使天線增益難以擴大，傳輸距離難以提升，接收天線難以小型化。改善天線的方向圖是當前最直接的任務。
抗干擾能力欠佳。OAM系統對相位敏感，遠場區可承受的相位誤差典型值約為π/8[6]，為此通常要求收發天線嚴格對正[10]。這將對OAM應用于移動通信產生重大限制。一種能在復雜環境下可靠解復用的接收天線亟待實現。
參考文獻
[1] TAMBURINI F，ROMANATO F，THID?魪 B, et al.Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity：First experimental test[J].New Journal of Physics，2012.
[2] WANG J，YANG J Y，FAZAL I M，et al.Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing[J].Nature Photonics，2012，6(7)：488-496.
[3] 王亦楠.關于軌道角動量天線的研究[D].成都：電子科技大學，2015.
[4] SCHEMMEL P，PISANO G，MAFFEI B.Modular spiral phase plate design for orbital angular momentum generation at millimetre wavelengths[J].Opt Express，2014，22(12)：14712-14726.
[5] YAN Y，XIE G，HUANG H，et al.Demonstration of 8-mode 32-Gbit/s millimeter-wave free-space communication link using 4 orbital-angular-momentum modes on 2 polar-izations[C]//ICC 2014-2014 IEEE International Conference on Communications，2014.
[6] MOHAMMADI S M，DALDORFF L K S，BERGMAN J E S，et al.Orbital angular momentum in Radio—A system study[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58(2)：565-572.
[7] ZHENG S，HUI X，ZHU J，et al.Orbital angular momentum mode-demultiplexing scheme with partial angular receiving aperture[J].Optics Express，2015，23(9)：12251-12257.
[8] WEI L W，MAHDJOUBI K，BROUSSEAU C，et al.Enhancement of Directivity of an OAM Antenna by Using Fabry-Perot Cavity[C].European Conference on Anternas & Propagation.2016.
[9] DENG C，CHEN W，ZHANG Z，et al.Generation of OAM Radio Waves Using Circular Vivaldi Antenna Array[J].International Journal of Antennas and Propagation，2013(z)：607-610.
[10] ZHANG Y，FENG W，GE N，et al.On the restriction of utilizing orbital angular momentum in radio communications[C]//2013 8th International Conference on Communications and Networking in China(CHINACOM)，2013.
[11] WEI W，MAHDJOUBI K，BROUSSEAU C，et al.Generation of OAM waves with circular phase shifter and array of patch antennas[J].Electronics Letters，2015，51(6)：442-443.
[12] BAI Q，TENNANT A，ALLEN B.Experimental circular phased array for generating OAM radio beams[J].Electronics Letters，2014，50(20)：1414-1415.
[13] 文瑞虎，王海彬，李元光，等.基于基片集成波導的巴特勒矩陣饋電網絡[J].探測與控制學報，2011(5)：29-33.
[14] 張光義.相控陣雷達瞬時帶寬的幾個問題[J].現代雷達，1990(4)：1-10.
[15] 嚴濟鴻，何子述，曹俊友，等.光控相控陣天線中的光實時延時技術[J].光通信技術，2007(7)：35-38.
[16] SVARE J A，SCHMIDT H，HANSEN B B，et al.Generating, multiplexing/demultiplexing and receiving the orbital angular momentum of radio frequency signals using an optical true time delay unit[J].Journal of Optics，2013，15(10)：3210-3216.
[17] TENNANT A，ALLEN B.Generation of OAM radio waves using circular time-switched array antenna[J].Electronics Letters，2012，48(21)：1365-1366.
[18] TONG Y，TENNANT A.A Two-Channel Time Modulated Linear Array With Adaptive Beamforming[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2012，60(1)：141-147.
[19] LEI X Y，CHENG Y J.Ka-Band orbital angular momentum folded reflectarray antenna[C].Asia-pacific Microwave Conference，2015，3：1-3.
[20] 陳加佳，楊晶晶，黃銘.基于橢圓微帶貼片的無線OAM傳輸系統[J].中國科技論文在線，2015.
[21] PAN Y，ZHENG S，ZHENG J，et al.Generation of orbital angular momentum radio waves based on dielectric resonator antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2016，16：385-388.
[22] CHEN Y，ZHENG S，CHI H，et al.Half-mode substrate integrated waveguide antenna for generating multiple orbital angular momentum modes[J].Electronics Letters，2016，52(9)：684-686.
[23] 陳弋凌，鄭史烈，池灝，等.基于半模基片集成波導的軌道角動量模式復用天線[C].2015年全國微波毫米波會議，2015.
[24] HUI X，ZHENG S，CHEN Y，et al.Multiplexed millimeter wave communication with dual orbital angular momentum(oam) mode antennas[J].Scientific Reports，2015，5：10148.
[25] YU S，LI L，SHI G.Dual-polarization and dual-mode orbital angular momentum radio vortex beam generated by using reflective metasurface[J].Applied Physics Express，2016.
作者信息：
黨唯菓，朱永忠，余 陽，張葉楓
（武警工程大學 信息工程系，陜西 西安710086）