平面螺旋轨道角动量电磁波及其应用研究

A new form of the orbital angular momentum (OAM) carried electromagnetic wave termed as plane spiral OAM electromagnetic wave, is proposed for the first time in this project. This electromagnetic wave possesses the fundamental character of the OAM carried waves, i.e. a spiral phase distribution, yet transmits along the radial direction. Hence the singularity of this wave is the radiated source itself, which can be used to solve the wide “dark zone” around the amplitude null when it transmits. Besides, different OAM mode plane spiral OAM electromagnetic waves can be easily multiplexed as no divergence exists. It is anticipated that these unique wave-beam characteristics will afford many potential applications in the field of electromagnetic sensing, such orientation, velocity measurement and imaging. In this project, the fundamental electromagnetic properties of the plane spiral OAM wave, the beam forming schemes based on the circular resonant slot antenna and its new applications in radio wave frequency are comprehensively studied. The key theory and new technologies concerning the electromagnetic OAM field will be effectively discussed based on the combinations of theory analysis, technology realizations and application explorations. The work in this project will offer a new field of vision for the research of electromagnetic OAM, and the expected results will provide the fundamental principle and technical support for the applications of the future OAM.

本项目提出一种新的携带电磁轨道角动量波束的存在形式——平面螺旋轨道角动量电磁波，该电磁波沿径向方向传播，相位呈螺线分布，其相位奇点在中心天线位置，可解决远场暗区问题，而且不同拓朴荷值的平面螺旋轨道角动量波束可复用沿同方向传播。因此，平面螺旋轨道角动量波更符合射频波段的应用实际，其独特的波束特性在定位、测速、成像等电磁感知领域具有很大的潜在应用。本项目研究平面螺旋轨道角动量电磁波的基本特性和基于环形谐振腔缝隙行波天线的波束形成，并探索其在射频波段的应用，发展电磁感知的新概念、新原理和新技术。项目重点围绕平面螺旋轨道角动量电磁波，以环形行波天线为切入点，理论分析、技术实现和应用探索相结合，着力解决一些关键理论与技术问题。项目工作将为电磁轨道角动量研究提供了一个新的思维，以期充分利用轨道角动量这一尚未开发的电磁波参数资源，为未来射频波段电磁轨道角动量的应用提供基本原理和基础技术储备。

电磁波轨道角动量（OAM）可为电磁波的应用提供新的物理参数维度，近年来吸引了国内外研究者的广泛关注。传统OAM波束中心是相位奇点，中心暗区随着距离不断增大，而且不同模态发散角不一致，这些问题严重限制了其应用。本项目提出一种特殊的OAM波束——平面螺旋OAM波束，系统研究了这种OAM波束的基本特性；探明了波束的产生方法，在环形行波天线的理论知道下，设计完成了多种不同结构的平面螺旋OAM天线，从理论和实验上验证了这种OAM波束的独特优点。这类OAM波束具有传统OAM波束的基本特性，相位呈螺线分布；但其沿径向传播，相位奇点在天线位置，有效解决了传统OAM远场暗区、模态发散角不一致等问题。项目探索了平面螺旋OAM在MIMO通信、测速和计算成像中的潜在应用，提出了实用的应用场景，充分挖掘其优势，完成预期研究计划，为OAM这一特性的应用提供了新的思路。.此外，项目提出了一种基于平面螺旋OAM波构建结构电磁波的新方法，拓展了平面螺旋OAM的预期应用。利用多模平面螺旋OAM波束理论上可以构建任意复杂相位和幅度分布的空间结构化波束。通过理论和实验研究发现，这种空间结构化的电磁波不但保留传统OAM波束固有的涡旋性和正交性，而且可实现波束定向和方位角向无畸变扫描。这种独特的定向涡旋波束可充分解决传统OAM波束中存在的固有缺点。项目基于多模平面螺旋OAM天线实现了结构电磁波的产生和扫描，并探索了这种幅相可精确控制的独特波束在传统电磁领域的新应用。这种结构电磁波理论上可解决目前OAM波束所面临的应用瓶颈，下一阶段可充分发掘其在通信、定位以及传感领域的潜在应用。