平面螺旋軌道角動(dòng)量電磁波及其應(yīng)用研究.pdf

1、無(wú)線(xiàn)通信和人類(lèi)的生活息息相關(guān)。隨著智能終端的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求呈指數(shù)級(jí)不斷提升，如何進(jìn)一步提高通信容量一直是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。軌道角動(dòng)量（OAM)作為電磁波的一項(xiàng)基本屬性，近年來(lái)引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于攜帶不同軌道角動(dòng)量的電磁波之間是完全正交的，軌道角動(dòng)量可以作為一個(gè)新的維度來(lái)攜載信息，并具有提升通信系統(tǒng)容量的潛力。在射頻領(lǐng)域，由于攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋電磁波具有不可避免的波束發(fā)散性和

2、中心相位奇點(diǎn)問(wèn)題，在實(shí)際通信系統(tǒng)中對(duì)其接收和解調(diào)提出了巨大的挑戰(zhàn)。在接收端天線(xiàn)口徑有限的情況下，不同態(tài)的渦旋電磁波之間的正交性會(huì)被破壞，通信容量并得不到提高。
　　本文從電磁波的軌道角動(dòng)量的物理原理出發(fā)，分析了射頻軌道角動(dòng)量電磁波的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，針對(duì)其特有的發(fā)散和相位奇點(diǎn)問(wèn)題，提出了一種新型的渦旋波束，即平面螺旋軌道角動(dòng)量電磁波(PSOAM)。這種波束沿平面?zhèn)鞑?，不同態(tài)波束的發(fā)散角一致，可有效避免相位奇點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)平面螺旋軌道角動(dòng)

3、量電磁波的產(chǎn)生方式、傳播特性和潛在應(yīng)用進(jìn)行了詳盡的研究和細(xì)致的闡述。提出了產(chǎn)生平面螺旋軌道角動(dòng)量電磁波的三種天線(xiàn)的理論模型：環(huán)形行波天線(xiàn)、同軸諧振腔天線(xiàn)和回音壁模式介質(zhì)諧振腔天線(xiàn)，天線(xiàn)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了產(chǎn)生的波束不僅保持了渦旋波束的特性而且是沿平面?zhèn)鞑サ?。在闡述了平面螺旋軌道角動(dòng)量電磁波的相關(guān)機(jī)理和優(yōu)勢(shì)之后，本文提出了一系列基于這種電磁波的潛在應(yīng)用，分析了相關(guān)應(yīng)用的理論模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第一，將平面螺旋軌道角動(dòng)量電磁波和現(xiàn)有的

4、多輸入多輸出通信系統(tǒng)（MIMO)相結(jié)合，提出了一種新型的基于平面渦旋波束的多入多出系統(tǒng)（PSOAM-MIMO),首次了證明利用了射頻軌道角動(dòng)量波束的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)可以提升通信系統(tǒng)容量。我們對(duì)這個(gè)系統(tǒng)在直射信道和非直射信道下的系統(tǒng)性能分別進(jìn)行了詳細(xì)的分析，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合，驗(yàn)證了模型的正確性和系統(tǒng)的可行性。第二，將多個(gè)不同態(tài)的平面螺旋軌道角動(dòng)量電磁波組合進(jìn)行波束賦形（PSOAM-BF)。相比于傳統(tǒng)的相控陣波束賦形的方法