【《轨道角动量国内外研究文献综述》3000字】

轨道角动量国内外研究文献综述自轨道角动量被发现以来，因其理论上模式的无限性和正交性有望应用于今后通信领域信道容量的扩展，而受到广泛地关注和深入地研究。在1909年，著名科学家Poynting[1]通过理论分析预言了圆极化电磁场的自旋角动量所产生的力学效应。1943年Humblet[2]将角动量分为自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。20世纪70年代，关于涡旋光的研究有了进一步的进展，M.V.Berry等[3,4]学者提出了涡旋光束和相位奇点等概念，涡旋光束的理论初步成型。LesAllen[5,6]于1992年第一次发现了携带有轨道角动量的拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)激光束，证明了轨道角动量具有e-jlϕ的相位因子，其中l表示轨道角动量的模式，又称涡旋拓扑荷，ϕ表示方位角。此后，众多学者主要将轨道角动量的研究方向集中在光学相关的领域[7-11]，而与此同时，射频频段的通信系统也开始出现信道拥挤的问题，需要扩大信道容量。轨道角动量于2007年由Thidé等[12]第一次引入射频通信领域，通过调整交叉偶极子阵列的相邻单元的馈电相位，形成等幅等相位差馈电网络，从而产生涡旋电磁场。2010年，Mohammadi等[13]通过对阵列天线的仿真证实了圆形阵列可以用于产生轨道角动量，并系统地研究了产生条件，为轨道角动量天线的后续研究提供了理论依据。A.Tennant等[14]于2012年设计出了一种时间开关控制的阵列(Time-switchedarray,TSA)，通过这种结构仅使用一个阵列天线就可以同时产生多个轨道角动量模式。同年，Tamburini等[15]使用螺旋反射面进行实验证实了在无线通信领域可以采用携带轨道角动量的涡旋电磁波传输信息。一年之后，Tamburini等[16]在WiFi频段实现了涡旋电磁波与平面波的共同传播，证明了涡旋电磁波的抗干扰性，同时证实了涡旋电磁波可以有效地扩展信道容量，并且与传统的数字调制技术兼容。2013年QiangBai等[17]使用八个微带贴片单元组成的均匀圆形阵列产生了轨道角动量涡旋电磁波，如图1-1所示。图1-1圆形阵列结构2014年，HuayangWu[18]等将半波偶极子、交叉偶极子以及三极子分别作为三种不同排列的圆形阵列的阵列单元，详细对比了不同阵列单元以及阵列排布所产生的轨道角动量模式，认为均匀圆形阵列在三种阵列中效果最好。文中所使用的阵列形式和天线单元如图1-2，1-3所示。(a)(b)(c)图1-2轨道角动量阵列结构示意图。(a)径向阵列；(b)切向阵列；(c)均匀阵列(a)(b)(c)图1-3单元天线结构示意图。(a)偶极子；(b)交叉偶极子；(c)三极子2015年，YilingChen[19]等通过半模基片集成波导(HM-SIW)结构形成由两个谐振腔组成的漏波天线(LWA)，产生了l=2和l=6两种不同的高阶轨道角动量模式，如图1-4所示。圆形HW-SIW的内侧金属过孔形成电壁边界，而外侧的开放边界可以被看作是磁壁。(a)(b)图1-4环形谐振腔天线结构。(a)天线的俯视图和截面图；(b)天线分解结构示意图2016年，在QiangBai的基础上，XuehongSun[20]等提出了切角微带贴片单元组成的阵列天线，如图1-5所示。这种均匀圆形阵列只需要等幅同相馈电功分网络进行馈电就能产生轨道角动量模式l=1（右旋圆极化）或l=-1（左旋圆极化），使得阵列天线的功分网络设计更多元化，不必拘泥于改变不同端口的输出相位上。图1-5圆极化切角微带天线2016年，M.S.KANG等[21]设计了一个微带径向功分器，利用微带线长度和形状的变化使得相邻单元相位差调整为45°，产生了l=±1的轨道角动量模式，如图1-6所示。图1-6八路径向功分馈电轨道角动量模式天线2016年，J.Liang等[22]设计了一种齿轮形微带圆形天线来产生轨道角动量，如图1-7所示。这种天线由一个连接了八个矩形贴片的微带圆形环组成，矩形贴片沿基板旋转排列，相邻贴片间的夹角为45°。该天线的工作方式与传统的轨道角动量圆形行波天线相似，能够产生l=2的轨道角动量模式。图1-7八齿轮天线结构示意图2016年，为了解决轨道角动量贴片阵列天线的方向性相对较低的问题，W.Wei等[23]使用法布里-珀罗腔体来提高了贴片天线圆形相控阵的方向性，并通过实验证明随着阵列半径的增大，整个阵列天线的方向性会增大，但相应地，其旁瓣也会出现，增大了能量的损失。因此，在设计阵列天线时需要对方向性和能量损耗进行平衡。所设计的整体结构由接地板、空气腔和金属条拼接的部分反射表面(PRS)三部分组成，如图1-8所示。图1-8带有部分反射表面的法布里-珀罗腔体2017年，Z.Zhang等[24]研发出了一种多模同心圆极化贴片天线用于产生不同模式的轨道角动量。整个结构由三部分组成：一个位于整个结构正中的圆形金属贴片和两个与圆形贴片同心的短路环形金属贴片。中间的圆形贴片由两根同轴馈电，激励产生圆极化的TM11主模；两个外部的短路环形贴片都由两根同轴馈电，分别激励产生圆极化的TM21模和TM31模及其高次模，如图1-9所示。每个贴片的两个同轴都采用了正交等幅但具有90°相对相位差的激励来使得贴片产生圆极化辐射。图1-9圆极化多模天线结构2017年，K.Bi等[25]采用基片集成波导(SIW)圆形缝隙天线产生了双模轨道角动量波束，如图1-10所示。该结构的构成相对简单，包括一个基片集成波导圆形谐振腔和一个环形辐射缝隙，由3根两两夹角为120°的同轴馈电探针。通过改变环形辐射缝隙的半径就可以产生l=±1，±2的轨道角动量模式。图1-10天线结构俯视图2018年，D.Liu等[26]通过圆形贴片天线产生了多模态轨道角动量电磁波。每个模态的产生对应带有8个输出端口的馈电网络。文章中拟产生两种l=1和l=2模式，因此共需要十六个端口，共计两个馈电网络，如图1-11所示。其中产生l=1模式的八个端口相位差为45°，产生l=2模式的八个端口相位差为90°。此外，作者在馈电网络系统和贴片天线基板之间嵌入了空气层方便进行阻抗匹配，如图1-12所示。图1-11轨道角动量多模圆形贴片天线结构图1-12整体多层结构示意图2018年，H.Tang等[27]提出了另一种通过单馈电产生轨道角动量l=±1的半模基片集成波导结构，如图1-13所示。在半模基片集成波导基础上，作者在铜层边缘刻蚀了两个矩形槽，通过改变整个谐振腔的半径就能改变产生的轨道角动量模式，半径越大，产生的轨道角动量模式就越高。图1-13单馈电轨道角动量天线俯视图2019年，Y.Liu等[28]提出了一种单馈电矩形贴片天线，这种结构打破传统的对称形式，产生了轨道角动量l=2模式，如图1-14所示。在此基础上，研究人员在贴片上开了两条狭缝来控制电流分布。同时由于该贴片天线产生的TM31模的电流主要分布在边界上，又在贴片的中心增加了三个接地柱来增加电流流动的可旋转性。图1-14矩形贴片示意图2019年，M.Donelli[29]等研发出了一种C波段超宽带基片集成波导背腔天线，如图1-15所示。整个天线阵列本身是一个均匀圆形阵列(UCA)，如图1-16所示，其馈电网络包含可重构的移相器和T型功率分配器用于为每个天线单元提供特定的相位以获得涡旋电磁波，可重构移相器是一种反射结构，由一个正交混合环和一对PIN二极管组成。图1-15超宽带天线单元结构图1-16整体结构示意图2020年，Y.Du等[30]提出了一个新型轨道角动量天线结构。该结构由RF开关、可编程微控制器、相移馈电网络和一个2×2矩形阵列组成，如图1-17所示。通过RF开关对不同的馈电网络进行切换从而产生不同的轨道角动量模式。(a)(b)图1-17多模轨道角动量天线系统分解示意图。(a)天线部分示意图；(b)控制电路部分示意图2020年，J.Wu等[31]设计了一种使用连续旋转馈电技术的宽带毫米波双模双圆极化轨道角动量天线，如图1-18所示。该天线阵列由四个双向辐射的双圆极化单元沿顺时针方向间隔90°旋转排列组成。每个天线阵列单元包含两个放置在双向辐射的背腔缝隙天线上的超表面贴片层，其中的背腔缝隙天线是基于基片集成波导技术设计的。实验表明，该结构分别在+z轴方向产生了左旋圆极化轨道角