1. 相關理論介紹

軌道角動量因其模數(shù)的無限性與正交性在提升通信容量 方面有著巨大的潛力,對解決頻譜資源不堪重負的現(xiàn)狀有很強的現(xiàn)實意義。

經(jīng)典電磁理論指出，電磁輻射不僅攜帶線性動量，還有可能攜帶角動量。對光波而言，角動量和線性動量之間的關系可簡單地表示為L =r +p ,其中表示角動量，r表示光子的位置矢量，p =mv 表示線性動量。角動量可分為自旋角動量SAM和軌道角動量OAM兩部分，用S和J分別表示他們，則L可以表示為：

L = S + J

對于線極化光波，有S=0，在考慮傳播方向上的角動量時，如z軸，它與x、y平面上的線性動量有關。p =mv =ε_0 E xB ,E和B分別表示電場和磁場。因此，對于TEM波而言，不論是圓極化波還是線極化波，其電場與磁場均存在于x、y平面內(nèi)， 線性動量p平行于z軸，因此在傳播方向上不會有角動量產(chǎn)生。這表明，在傳播方向上，如果沒有電場或者磁場的分布則角動量也不會產(chǎn)生。實際情況下，由于有限性的限制，TEM波是不存在的，軸向場總是存在，因此電磁輻射總會伴隨著角動量的傳輸。如圖1所示，渦旋波的坡印廷矢量放向不是沿著z軸直線傳播，而是呈現(xiàn)“螺旋上升”的形式。

圖1渦旋電磁波坡印廷矢量變化示意圖

圖2 不同結(jié)構(gòu)偶極子圓環(huán)陣

采用線極化的偶極子進行圓環(huán)排布，是得到渦旋波的常用方法，圖2給出了（a）放射狀結(jié)構(gòu)，（b）切線結(jié)構(gòu)和（c）均衡結(jié)構(gòu)的三種排布方式。實驗發(fā)現(xiàn)對于相同的陣元個數(shù)，實現(xiàn)相同的軌道角動量模式數(shù)時，沿一個方向放置的陣列比射線放置和切線放置的陣列所輻射的波束更準直，且有更少的副瓣和更強的輻射強度，并且，用陣列方法產(chǎn)生渦旋電磁波時，各陣元的極化方式必須相同，且只有在與發(fā)射陣元相同的極化方向上才能獲得設定模態(tài)的渦旋電磁波。

對于由單元離散排列組合成的圓環(huán)，其產(chǎn)生的模式數(shù)量和單元個數(shù)有關，應滿足-N/2<L<N/2。其中，N是單元個數(shù)，L就是OAM模式，饋電采用?φ=2piL/n為每個單元間的相位差即可。

2.基于線性極化貼片單元的OAM天線設計

本節(jié)設計微帶貼片形式的AOM天線，單元如圖3所示。

圖3 單元設計

圖4 S11

圖5 單元增益

圖4和圖5分別是單元的S11和增益情況，天線工作在X頻段，中心頻率選擇10GHz，增益7.7dBi。將上述單元，呈圓環(huán)狀排布，用圖2的（c）形式，建立模型如下

圖6 八單元結(jié)構(gòu)

將設計的單元排布成圖6的形式，根據(jù)前面的公式推導，L的取值可以是-3，-2，-1，0，1，2，3，再根據(jù)=2piL/n，可以得到單元的相位差，設置如圖7。

圖7 端口設置

圖8 L=0，1，2，3的3D方向圖

圖9 L=0，1，2，3的波前相位圖

上圖8和9給出不同模式 L=0，1，2，3情況下的遠場輻射圖和波前相位圖，可以清楚地看到，不同模式下的增益和相位分布，用線性單元產(chǎn)生了OAM波。

3.總結(jié)

本文詳細給出了OAM天線的理論基礎和設計過程，有一定的指導意義。

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