【摘 要】
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轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）其特有的螺旋状相位分布和模态正交性,为解决通信方面日益紧张的频谱资源以及成像领域分辨率等问题提供了一种新思路,自从提出后便受到广泛的关注。通过调研发现,对OAM天线的研究主要集中在平面结构上,对于共形结构的研究还不够深入。本论文围绕轨道角动量的产生及其应用,主要研究内容包括:首先,提出了一种用以生成3模态OAM波的结合Butle
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轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）其特有的螺旋状相位分布和模态正交性,为解决通信方面日益紧张的频谱资源以及成像领域分辨率等问题提供了一种新思路,自从提出后便受到广泛的关注。通过调研发现,对OAM天线的研究主要集中在平面结构上,对于共形结构的研究还不够深入。本论文围绕轨道角动量的产生及其应用,主要研究内容包括:首先,提出了一种用以生成3模态OAM波的结合Butler矩阵馈电网络的4单元阵列,以研究阵列半径对阻抗带宽、模态纯度等OAM性能的影响。其中,单元采用矩形贴片,阵列通过平移单元的方式构成,Butler矩阵采五个微带3d B定向耦合器、一个交叉结和两个30°移相器组成。仿真和实验的结果表明,当阵列半径为0.460时,模态±1的-10d B阻抗带宽为10.7%,增益为8.48d B,3d B波束宽度为41.6°,旁瓣电平为-15d B;当阵列半径减小到0.370时,模态±1的-10d B阻抗带宽减小了1.3%,增益减小了1.33d B,3d B波束宽度增加了3.1°,旁瓣电平增加了2.6d B。同时随着阵列半径的减小,OAM波的模态纯度增加。其次,提出了一个用于舱内高速通信的共形在圆柱内表面的4单元阵列天线,以研究不同圆柱半径对谐振频率、增益等OAM性能的影响。其中,单元采用附着在曲面和平面两种结构,阵列采用共形在圆柱和排列在棱柱上两种方式,弯曲情况分为E面弯曲（沿贴片宽边弯曲）和H面弯曲（沿贴片长边弯曲）。仿真和实验的结果表明,当圆柱半径减小到30mm时,E面弯曲和H面弯曲下的天线谐振频率分别向低频偏移5%和1.5%;E面弯曲时,随着圆柱半径的减小,三种模态下的天线增益减小,模态纯度降低。最后,提出了一种用于舱内高速通信的共形在圆柱内表面的8单元阵列天线,以研究弯曲效应对高阶模态的影响,并设计了由7个一分二网络和若干移相线组成的具有三种相位差的功分网络。其中,讨论了单元排列方式、阵列半径和圆柱半径对谐振频率、阻抗带宽等OAM性能影响。仿真结果表明,通过单元平移组成的阵列其阻抗带宽和隔离度等性能均优于通过单元旋转组成的阵列;考虑到天线尺寸大小和OAM波束发散等影响,选择了30mm的阵列半径;随着圆柱半径减小到60mm时,模态-1、-2、-3的谐振频率较平面情况分别向低频偏移了3.5%、6.5%和3.3%,增益均减小,3d B波束宽度增加。同时,随着模态数的增加,OAM的纯度会降低。
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