一种结构简单、模式连续可调的涡旋波天线

来源：两江科技评论

导读

近日，北京邮电大学毕科副教授所在的研究团队针对传统涡旋波天线结构复杂等问题提出了一种模式可调谐的涡旋波天线，该天线可利用结构尺寸的改变以及工作频率的变化两种方式来实现对涡旋波模式的调谐。这一设计思路受到超表面天线设计的启发，在此基础上提出极简的圆环谐振器结构，并且不局限于文中所示例的频率范围，经仿真模拟验证该方案在太赫兹波段也可以成功实现，为实现紧凑的涡旋波天线设计提供了新的方案。相关结果在Engineered Science杂志上以“连续模式可变的涡旋波产生”（“Generation of Continuously Variable‐mode Orbital Angular Momentum Beams”）为题发表。

研究背景

近年来，轨道角动量由于在改善通信容量方面表现出奇异的电磁特性而受到广泛关注。尽管关于是否可以利用基于涡旋电磁波通信来为MIMO（Multi Input Multi Output, 多输入多输出）系统增加容量这一问题上存在一些争论。但在涡旋电磁波成像、量子态操纵和雷达探测等其他领域的潜在应用仍然吸引着人们对涡旋电磁波的研究热情。螺旋相位板、天线阵列以及超表面等被广泛地应用于涡旋电磁波的产生中。然而，传统的方式大多存在结构复杂、制造困难以及成本高等缺点而无法应用于实际的通信系统中。特别是馈电方式上，螺旋相位板以及超表面天线中的馈电天线无疑会增加天线系统的尺寸和复杂性。而传统涡旋波天线阵列中，移相器等设备的使用也大大增加了系统的复杂程度。此外，对于涡旋电磁波实际应用来讲，多模式以及模式可调谐的涡旋电磁波的产生是实现涡旋波通信必须要解决的问题。

创新研究

在对圆环形超表面涡旋波天线单元结构（Research, 2019, 2019: 9686213）的研究过程中，发现在径向上分布单元数量仅为1的极端情况下也可以实现涡旋电磁波的产生。受到这一特殊情况的启发，研究团队提出极简的圆环谐振器结构来代替超表面单元。当电磁波在圆环形谐振器中传输时，形成的连续相位变化有利于标准波形的产生。圆环谐振器的尺寸决定了只有特定频率的信号才能被辐射出去，使得天线具有一定的频率选择效果和抗干扰能力。

当圆环谐振器的周长为波长的整数倍时，信号在圆环谐振器中的传输将引入2π整数倍的相位变化，从而产生相应模式的涡旋电磁波。为了实现对天线辐射涡旋电磁波模式的调谐，可以通过改变圆环谐振器的半径尺寸来实现在同一频率处不同模式的涡旋电磁波的产生。然而在实际应用中，天线结构不容易改变。因此，提出利用改变天线工作频率的方式来满足涡旋电磁波产生的相位条件，最终实现在不同频率处不同模式涡旋电磁波的产生。这一调谐方式，能够实现连续且动态的模式调谐，有助于涡旋电磁波通信的进一步发展。

图1 Engineered Science期刊2020年卷10封面

（天线辐射层结构及涡旋波产生概念图）。

图2 具有不同半径的涡旋波天线的结构、相位分布以及辐射方向图（a）l = -1（b）l = -2（c）l = -3。

图2 具有不同半径的涡旋波天线的结构、相位分布以及辐射方向图（a）l = -1（b）l = -2（c）l = -3。

总 结

该工作提出了一种结构简单的涡旋波天线，实现了不同模式的涡旋电磁波的产生。利用结构变化和改变天线的工作频率两种方式对所产生的涡旋电磁波模式进行调控。圆环谐振器的采用，为天线引入了频率选择特性。而改变工作频率的方式可以实现涡旋电磁波模式的动态调节。该设计方案不仅适用于微波领域，在太赫兹波段也能够成功实现。该工作得到了国家自然科学基金、北京市优秀人才培养资助计划和深圳市科技计划等支持。