OAM波的傳播特性及OAM天線的研究

《OAM波的傳播特性及OAM天線的研究》是依託清華大學，由馮正和擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：OAM波的傳播特性及OAM天線的研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：馮正和
• 項目類別：面上項目

項目摘要

隨著無線通信及其它套用的迅速發展，電磁資源成為瓶頸。攜帶軌道角動量（OAM）的電磁波具有橫向旋轉特性，引入了OAM這個新的物理參數，從而提供了新的空間維度，為解決頻譜資源短缺提供了新的途徑。本課題將從矢量電磁場理論出發，通過理論分析、仿真和近場遠場測量研究OAM波的電磁場結構及分布、極化和傳播特性；研究OAM這個新參量的物理和數學表述及測量方法；研究產生OAM波的天線陣列形式，天線OAM性能的表述和測量方法，OAM天線的互易性能；研究OAM波的接收技術和相應的時空信號處理算法。從採用天線陣列和多信道收發信機的角度，OAM系統很類似MIMO系統或智慧型天線。本課題將通過理論分析、仿真和實驗驗證研究OAM對增加通信容量的貢獻，然後與其它多天線系統進行對比，確認OAM系統在無線通信中的套用前景。為此，本課題將建立OAM波傳播特性和OAM天線性能的測量平台，建立OAM波通信的實驗平台。

結題摘要

研究背景 軌道角動量的概念來自於力學和量子力學。對電磁波而言，它表示電磁波在傳播過程中除了自旋（圓極化）外還有一個繞軸的轉動，稱為OAM波或渦旋波。不同OAM模式間相互正交，可以看成獨立信道，如果能開發這個新的維度，將大大提高通信容量。 研究內容： 1、在理論研究方面，進行了OAM波的數學表述、產生原理及測試技術極限等的研究，得到了OAM波的傍軸近似和球面近似及其分界線，用陣列傳遞函式的本徵值分析得到容量和角動量測量方法。 2、提出了四種典型的OAM波天線陣列及天線結構，其中二種是陣列天線，它們可以實現全部模式的通信，保證高的正交性，實現容量的多倍增加，極化任意；第三種採用環形腔，它尺寸小，結構簡單，可用於特定模式。第四種採用相位板，即平板天線將高斯波束轉化為OAM波束；我們還提出了多種新型天線單元的結構，它們可以用於更多的套用環境； 3、建立了二套實驗系統，一套用於OAM波的場結構測量，由被測天線陣列，九路2GHz發射機，近場掃描系統，網路分析儀及控制系統組成。它可以在不同距離上測量分析任意模式的電磁場橫向分布；另一套由2GHz九路發射機/接收機組成，它可以同時收發多個模式進行通信；研究了正交性和系統誤差的影響，校正方法和距離對容量的影響。 4、通過空間傳輸矩陣分析了瑞利距離對OAM容量的影響，分析了不同模式隨距離變化的性能。分析了天線陣列結構對容量的影響，從而提出對天線設計的改進方法。 重要結果和關鍵數據 給出了不同的OAM波的產生方法，OAM波數學表述和傳輸特性的研究結果；給出了模式的正交性分析和實驗結果，給出了實驗中保證正交性的校正方法；給出了不同模式對容量的影響，提出了最佳化設計的方法； 科學意義 無論在理論研究和實際套用方面，OAM波都有重要意義，本項目從表觀上對它進行了一些研究，得到了一些初步的結果，這為進一步的研究打下了基礎。