基于轨道角动量的新型口径天线设计及其多模复用方法研究

With the rapid growth of wireless communication data rate demand and more limited resource of frequency, it is becoming a very desiderated, challenging, important, and primary project to conctruct new-typed multi-independent-channel antenna systems as supplement to current diversity technologies. Based on the combination of orbital angular momentum (OAM) concept and radio physics, this project is aimed at new-typed aperture antenna system design which can radiate OAM electromagnetic waves and the corresponding mode-multiplex methods. The research contents include: radiation mechanism studies of the new OAM aperture antenna; OAM feed design based on waveguide/horn and analysis of the whole feed-reflector syetems; mode control techniques and demo design of the orthogonal-mode multiplex. Starting from ideal models, this peoject will give out radiation mechanism and primary characteristics for the new OAM aperture antenna. With the aids of configuration-disturbance / mode-mix methods, rigorous computational electromagnetics techniques, and experiment studies, the project will complete new OAM feed designs and analysis for the whole reflecting systems. Through analysis of the forming process, the transmitting and radiating characteristics under certain electromagnetic conditions of different order OAM modes, some experiment demos of the orthogonal-mode application in wireless communication will also be presented in this project.

在当前无线通信数据率要求急速增长而频率资源愈发紧张的情况下，如何构建新型的、众多信道相互独立的天线系统，从而有效的补充现有的多种分集手段，是极富挑战性的基础性研究课题，也是无线通信发展急需解决的重要课题。本项目旨在基于轨道角动量与无线电物理的结合，研究具有轨道角动量电磁波辐射能力的新型口径天线及其多模复用方法，包括：新型轨道角动量反射面天线的辐射机理研究、基于波导/喇叭的OAM口径馈源设计与反射面天馈整体研究、及新型OAM口径天线的模式控制技术与正交多模应用演示方案研究。项目以理想模型为出发点，开展新型OAM口径天线的辐射机理及基本特性研究。基于结构扰动及模式叠加技术、严格的计算电磁学技术、实验测试手段，完成新型OAM馈源设计及整个天馈系统的分析研究。通过对各阶模式形成过程、特定电磁条件下的传输辐射特性的研究及复用设计，给出新型OAM口径天线结合无线通信的正交多模复用原理方案。

本项目围绕基于口径类结构的OAM天线研究，主要在如下一些方面开展工作并取得成果：在复杂天馈结构一体化电磁建模方面，实现了新型PE基函数的应用与设计、介质体表面等效与模式激励的高效融合、MLFMA-MLACE自适应多尺度方法实现及应用等；在口径类OAM天线的整体方案上，通过馈源OAM的设计及其与传统反射面天线的结合及相互作用研究，验证了将反射面从扭曲改为利用常规方式的可行性；在新型OAM照射馈源方面，基于导波场理论，提出了新的技术构想，并且基于特定高阶模式的OAM合成、传输、辐射的新型实现方式提出了具体设计，设计并加工了实验室样机，较好地验证了仿真结果；在不同的角度对典型OAM天线的特性包括带宽特性、空间分布等特性进行了原创性的、更加深入的分析；对不同形式的OAM天线，考察了作为透镜天线或反射面天线馈源的可行性，分析了对波束空心化及相位分布的影响，得到了普遍可以压缩空心化、提高涡旋纯度的结论；在上述工作的基础上，进一步研究了基于反射面系统的多模实现方式；同时，本项目还研究了其它的一些OAM实现方式，包括高阶模微带、扭曲平面反射系统、周期结构反射型OAM系统；等等。项目在OAM的研究方法、天线设计等方面取得了原创性的成果，对该领域的天线设计与应用方案具有补充性的作用，为项目后续的深入研究及结合通信、探测等领域的应用打下了坚实的基础。