轨道角动量双模复用的远场增益及隔离度*

曹乐搬，周斌，卜智勇，兰云

(1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 上海 200050； 2 中国科学院大学, 北京 100049)

从基础物理学可以得知，电磁波除携带线动量，也携带角动量[1]。角动量由两个部分组成：一是自旋角动量SAM(spin angular momentum),与电磁波的极化状态有关；二是轨道角动量OAM(orbital angular momentum)，与电磁波幅度及相位在空间分布有关。

近年来，将OAM应用于无线通信系统引起了极大的关注。其中至关重要的一个原因是在理论上OAM有无穷多个本征态，且不同模态之间相互正交，即OAM这种性质在功能上类似于大规模MIMO天线，提供了一种全新的自由度。因而在现有无线通信技术的基础上，利用携带OAM的涡旋电磁波作为信息传输过程中的载体可以极大提高通信系统容量，提升频谱利用率[2-5]。最初在光学领域中研究OAM特性,并获得了很多应用[6-7]；随后有学者提出OAM也能够应用于低频当中[8]。如今有很多方法能够产生携带OAM的涡旋电磁波，有螺旋相位板[9]、时间开关阵列[10]等。同向均匀圆环阵列天线是一个比较常见的用于产生携带OAM的涡旋电磁波方法，文献[11-18]验证了该方法的可行性，通过给每个阵元馈入等幅度，相邻阵元等相差的激励信号即可产生携带OAM的涡旋电磁波；文献[19-24]提出径向、切向均匀圆环阵列天线可以产生携带OAM的涡旋电磁波并验证成功。其中文献[19]采用8个单元的Vivaldi天线，通过给每个天线阵元馈入等幅度，相邻阵元等相差的激励信号，并依次改变相位差值，分别研究径向均匀圆环阵所产生的模态值为±1、±2、±3等几种情况下的涡旋电磁波，发现在模态值为±1时并不存在方向图零陷，具体原因文献[21]给出了说明；……