隨著射頻通信技術的發(fā)展，這些年來，科研人員在無線通信領域取得了很多的突破，射頻技術在里面大放異彩。無線通信主要建立在平面電磁波上，已充分利用時域、頻域、碼域、空域和極化域這些復用維度來提高頻譜效率。為了獲得更高的頻譜效率，業(yè)界在不斷嘗試從電磁波的物理特性入手來實現(xiàn)信息傳輸方式的突破，比如軌道角動量技術。近年來，軌道角動量一直是無線通信領域的研究熱點。
今天就給大家分享一個將軌道角動量與毫米波技術相結合的基于介質諧振器的軌道角動量天線設計，非常具有實用性。這個設計建立了天線的等效模型，推導了其輻射場的理論表達，討論了介質諧振器半徑對渦旋波電磁波模態(tài)的影響，通過仿真結果表明，該天線在波段有四個諧振點，能夠分別產生模態(tài)的渦旋電磁波。此外，該天線結構緊湊，成本低，增益良好，具有較高的天線效率，產生的各個模態(tài)的渦旋電磁波都具有良好的旋轉性，能夠獲得較強的抗干擾能力，為軌道角動量在毫米波頻段的應用提供了一定的現(xiàn)實意義。
天線設計
該天線設計了一種介質諧振器天線，天線結構如圖3所示，圖3(a)是天線的三維結構圖，可以看到該天線是由一個介質諧振器，一條微帶線，一層介質基板和一個接地面構成，圖3(b)是天線俯視圖。
仿真結果分析
天線的S參數(shù)能夠準確反映電磁波傳遞過程種的反射情況。如圖7所示是該天線的S參數(shù)仿真結果，可以看到，S參數(shù)有多次下降，表明這些頻率的波耦合進了諧振器當中，但并不是所有都是OAM模式。在28GHz~36GHz之間，該天線產生了4個諧振點，能夠產生的OAM模態(tài)。分別是：在29.6GHz處產生的OAM模態(tài)，在30.6GHz處產生的OAM模態(tài)，在32.2GHz處產生的OAM模態(tài)，在35.1GHz處產生的OAM模態(tài)。圖8是該天線電壓駐波比的仿真結果，可以看到在四個諧振點處的VSWR幾乎達到1，在天線的工作頻段28GHz~36GHz之間匹配良好。
由圖9（左側）可以看出，該天線生成的4種OAM波束，空間螺旋相位波前結構清晰可見，符合OAM渦旋電磁波的螺旋相位結構特征，并且相位沒有產生畸變，說明該天線產生的OAM無線電波具有較好的抗干擾性。
圖9（右側）是OAM的４個模態(tài)在觀測平面上的振幅分布的波前。
圖10（左側）分別為是不同模態(tài)下的3D遠場輻射圖，可以看出本文提出的OAM天線的增益在工作頻率范圍之內保持在6.47~8.18dBi，隨著模態(tài)的增加，增益呈現(xiàn)下降趨勢，說明工作頻率越高，該天線收發(fā)信號的能力越弱。由OAM波束相位奇點引起的零強度區(qū)域存在于波的傳輸方向（z軸）上，使得遠場輻射圖出現(xiàn)中心上方下凹，在軸線方向上出現(xiàn)波束中空的現(xiàn)象， 符合渦旋電磁波中心能量最低，邊緣能量高的物理特性。圖10（右側）為二維輻射方向圖（Phi=0deg），可以看出，所有主瓣方向角都很大，有利于電磁波的遠距離傳輸。
如圖11是天線的總效率，仿真結果表明，該天線在四個頻點都具有較高的效率。在29.6GHz處的效率達到92.3%，在30.6GHz處的效率達到92.5%，在32.2GHz處的效率達到89%，在35.1GHz處的效率達到86.2%。此外，在天線的整個工作頻段中，29.6GHz處的效率最高，達到92.5%，在29.2GHz處的效率最低，為70%。總體來說，該天線的總效率較高，在整個工作頻段均達到70%以上。
本文所介紹的基于介質諧振器的軌道角動量天線價值非常高，它具有較高的天線效率和較強的抗干擾能力，為軌道角動量在毫米波頻段的應用提供了一定的現(xiàn)實意義，同時能在多個領域投入使用，穩(wěn)定性極高，也為軌道角動量在天線技術領域的應用拓展了視野，打開了新的思路。
