多模态涡旋电磁波生成方法研究

摘要

电磁频谱具有有限性，排他性，非耗竭性和易污染性，因此，提高频谱资源利用率是解决信息技术发展的动力之一。如今，电磁波承载信息的方式基本通过调控电磁波的极化，频率以及幅度，而轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）作为一种新的维度，在改善频谱资源利用率以及雷达成像等方面具有巨大的应用潜力。本文主要研究基于圆形阵列天线以及超表面天线来产生具有OAM的涡旋电磁波。 首先，从理论上对圆形阵列天线产生涡旋电磁波进行了推导。分析阵列天线的模态并与理论相互验证，证明了公式推理的准确性。提出将一种携带OAM的单元进行组阵，理论公式以及仿真结果均证明，阵列产生的OAM不仅与阵列参数有关，同时与单元携带的OAM有关，可通过调控单元的OAM灵活调节阵列的OAM分布。同时，阵列产生的OAM可通过单元进行扩展，其取值范围不再局限于阵列单元的个数。进一步的，提出了基于OAM单元组阵来提高模态纯度的方法，为将来基于OAM单元组阵的应用提供了思路。 然后，基于圆形阵列天线理论，提出一种8单元双频双模的阵列天线。设计一款可工作在0.9GHz以及1.8GHz的双频微带天线，同时设计可工作在0.9GHz以及1.8GHz的馈电网络，将单元与馈电网络进行组阵。在0.9GHz，各单元之间的相位差为45°，可产生OAM为1的涡旋电磁波；在1.8GHz，各单元之间的相位差为90°，可产生OAM为2的涡旋电磁波。对所设计阵列天线的模态进行了分析，分析结果与仿真相位结果相吻合。针对上述设计的阵列天线，我们进行了加工并测试，测得的方向图与所设计的结果基本一致。 最后，提出了一种基于电磁超表面天线的OAM调制器。采用Pancharatnam-Berry单元构造超表面天线，通过控制单元的旋转角度以控制电磁波的透射或者反射相位。在10GHz，可产生透射波模态为-1且极化方式为左旋的涡旋电磁波，同时，产生反射波模态为1且极化方式为右旋的涡旋电磁波。所设计的超表面天线，首次实现同时对极化，方向，模态三者进行调控，为基于涡旋电磁波的多维度调控，比如极化、方向、模态等提供了一种思路。 本文对基于圆形阵列天线以及超表面天线产生OAM进行了系统的研究，进一步丰富了目前产生OAM的方法。

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