【摘 要】
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随着无线通信系统的快速发展,由于频谱有限,提升频谱效率以及扩充系统容量逐渐变得困难。轨道角动量（OAM）由于其独特的螺旋相位波前,因而吸引了国内外学者的目光。携带OAM波的特征是e（jlψ）的相位分布,其中l是一个称为模式数的整数,φ是方位角。理论上,OAM包含无限范围的正交本征态,这为扩大信道容量提供了一种有前景的方法。本文主要针对轨道角动量天线展开研究,论文的主要工作如下:1.基于水天线的轨道
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随着无线通信系统的快速发展,由于频谱有限,提升频谱效率以及扩充系统容量逐渐变得困难。轨道角动量（OAM）由于其独特的螺旋相位波前,因而吸引了国内外学者的目光。携带OAM波的特征是e（jlψ）的相位分布,其中l是一个称为模式数的整数,φ是方位角。理论上,OAM包含无限范围的正交本征态,这为扩大信道容量提供了一种有前景的方法。本文主要针对轨道角动量天线展开研究,论文的主要工作如下:1.基于水天线的轨道角动量天线设计方法研究。该天线首次将液体材料应用于产生轨道角动量涡旋电磁波中,所设计的天线尺寸适中,天线工作模态可方便调控,天线整体呈现透明状。基于环形金属片的辐射原理,首先设计了一款单环频率可重构的轨道角动量水天线。该天线可在不同频率下辐射不同模态的OAM涡旋电磁波,具体为当天线工作在2.2GHz,2.4GHz,2.6GHz,2.9GHz时,环形金属片工作于TM2 1,TM31,TM41,TM51模式,则分别可产生l=1,l=2,l=3,l=4的OAM波束。在此原理的基础上,又设计了一款模态可重构的轨道角动量水天线。在该天线中,通过分别给内环和外环水天线馈电,可产生l=+1,l=-2模态的涡旋电磁波,而同时给内环和外环水天线馈电时,则产生（l=+1,l=-2）混合模态的涡旋电磁波。为了方便馈电以及集成,在该天线中,设计了一个馈电网络。该馈电网络由T型功分器,威尔金森功分器,90°移相器,射频器件PIN二极管组成。通过控制馈电网络中PIN二极管在不同位置的ON/OFF状态,使其给内环或者外环馈电,从而进行模态的可重构。对设计的天线进行实物加工,实测结果与仿真结果吻合良好,从而验证设计的有效性。2.多模态轨道角动量阿基米德螺旋天线研究。基于传统阿基米德螺旋天线辐射原理,设计了一款双臂互补对称的阿基米德螺旋天线。该设计首次使用单个天线产生15种模态的轨道角动量涡旋电磁波,从单模态到四混模态,灵活辐射不同的OAM波,为基于OAM波的通信提供了一种可行的方法。当从阿基米德螺旋天线的内部给天线馈电时,可产生l=+1,l=+2,l=（+1,+2）三种模态,当从阿基米德螺旋天线的外部给天线馈电时,可产生l=-1,l=-2,l=（+1,+2）三种模态,当同时给阿基米德螺旋天线内部和外部馈电时,可产生其它组合模态的涡旋电磁波。天线具体包含4种单模态l=+1,l=-1,l=+2,l=-2,6种双混合模态l=（+1,-1）,l=（+1,-2）,l=（+1,+2）,l=（-1,-2）,l=（-2,+2）,l=（-1,+2）,4种三混合模态l=（+1,+2,-1）,l=（+1,+2,-2）,l=（+1,-1,-2）,l=（+2,-1,-2）,以及1种四混合模态l=（+1,-1,+2,-2）。为了方便给天线馈电,这里设计了一个移相器网络。该移相器网络由3个威尔金森功分器和4个数字移相器组成,通过给予移相器引脚馈入不同的高低电平,可控制输出相位,这里的输出相位差包括0°,90°和180°。对所设计的天线进行了实物加工,实测结果表明所设计的天线在5～6GHz能够实现从单模态到混合四模态的动态工作。
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