【最新成果】涡旋电磁波轨道角动量模态抗干扰性能分析

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前言

西安电子科技大学李龙教授团队提出了一种对涡旋电磁波收发链路中OAM模态抗干扰性能的分析方法，在建立平面相控阵天线产生特定模态涡旋电磁波的基础上，构建了对应模态电磁涡旋射频收发链路系统，并在引入外部干扰源的情况下对OAM模态传输性能进行分析，该研究可以为涡旋电磁波在无线通信及雷达探测与成像等有关研究领域提供一些前瞻性的探索研究和设计指导。

图1 西安电子科技大学李龙教授科研团队搭建的基于软件无线电平台的OAM无线通信实验场景

该工作拟发表在《雷达学报》2021年第5期“涡旋雷达理论及应用系统”专题论文“涡旋电磁波轨道角动量模态抗干扰性能分析”（林屹峰，单明明，孔旭东，冯强，李龙），现已网络优先出版。

背景介绍

携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）的涡旋电磁波，其等相位波前特性与传统平面电磁波的等相位波前不同，并且其波束具有发散性。由于相位因子项的作用，涡旋电磁波具有螺旋形式的等相位波前。并且从理论上讲，不同阶OAM模态之间具有正交性。由此便构成了OAM模态的无穷维正交性。正是基于此特性，OAM涡旋波束在无线通信以及雷达探测与成像领域表现出很大的研究潜力。对于无线通信而言，可以通过相互正交的OAM模态来传输多个数据流以提高信道利用率，增大通信系统的信息传输容量，相较于传统的通信技术具有更大的优势。对于雷达探测与成像而言，可以将OAM模态作为一个新的信息维度，用于提高雷达回波信息的获取能力，以及探测目标的成像分辨率，尤其是对于雷达目标在方位角维度探测能力的提高具有重要作用。

考虑到轨道角动量涡旋电磁波在实际的应用中，不同阶OAM模态之间的正交性会受到实际物理层实现以及应用环境的影响，所以对于OAM模态涡旋波束传输过程中的抗干扰性以及鲁棒性的研究也十分重要。近年来，有关研究团队分析了OAM涡旋电磁波在无线通信链路与系统中进行传输试验时的鲁棒性和抗干扰性能，对于OAM在多径环境下的无线通信传输同现有的MIMO技术进行比较和分析也有相关的研究工作。但是目前对于OAM涡旋电磁波在传输过程中的抗干扰分析依然较少，作为一个具有坚实物理背景的研究领域，从电磁的角度来看待和研究OAM涡旋波是很有必要的。

图2 携带有不同OAM模态涡旋波在空间中的电场幅度分布，相位分布，以及相应的OAM模态谱分布示意图

团队工作

西安电子科技大学李龙教授团队开展了对涡旋电磁波收发链路中OAM模态抗干扰性能进行仿真、测试以及分析的研究工作，通过在OAM射频收发链路中引入干扰源，分析干扰源的有无以及相对接收平面的位置对OAM接收解调的影响。具体而言，通过在OAM收发天线阵列轴线偏转一定角度的位置且具有相同输入功率的喇叭天线作为干扰源，分析对比了有无干扰源时接收平面上幅相分布情况，并通过变尺度孔径采样的解调方法得出不同干扰源照射角度下OAM模态纯度随着采样接收半径变化的关系曲线图，进一步分析出合适的采样孔径大小有益于存在空间干扰源时OAM波束的接收解调。在此基础上，加工了OAM收发天线阵列并在干扰源场景下进行传输特性测试。所提出的基于涡旋电磁波OAM模态谱以及OAM模态正交性的涡旋波抗干扰性能分析方法，可为涡旋电磁波将来在无线通信系统和雷达系统中的应用提供一种可行的分析思路。

李龙教授团队于2016年提出采用人工电磁超表面的调控理论和概念应用于射频轨道角动量涡旋电磁波的产生、传输、接收和复用解复用等关键技术，为未来大容量无线通信系统和雷达探测与成像提供新的技术手段。相关研究成果入选 ESI 高被引论文2篇，2016-2018和2017-2019 IOPPublishing TOP 1%高被引论文奖2项，以及陕西省自然科学优秀学术论文奖等。

图3 课题组基于电磁超表面进行OAM涡旋电磁波调控的相关工作

论文介绍

该文首先设计了基于平面相控阵的涡旋电磁波发射天线阵列，如图4所示。发射天线阵列中阵元为圆极化单元，可通过绕贴片几何中心旋转进行馈电相位补偿。在4.25GHz时，通过对馈电网络叠层一体化设计以及旋转天线阵元来分别产生+1及-2模态涡旋电磁波束，在近场观察面上仿真得到的幅相分布如图5所示。

图4 涡旋电磁波发射天线阵列及单元结构

图5 仿真得到的OAM模态为+1及-2的涡旋电场幅度及相位分布

为分析产生的涡旋电磁波的抗干扰性能，在发射阵列和接收解调平面的轴线偏转一定角度的位置放置一个喇叭天线作为干扰源，此时干扰源和涡旋电磁波发射阵列与接收平面之间的距离一致，场景示意图如图6所示。仿真分析过程中主要选取了15°，30°，45°这3个具体的角度进行分析。发射天线阵列和干扰源在天线激励端口采用了相同的输入功率。

图6 涡旋电磁波抗干扰性能分析场景示意图

全波数值仿真结果如图7所示，相比于无干扰源时的涡旋电场分布结果，在有干扰源照射时，涡旋电场的幅度分布和相位分布均呈现出了明显的干涉性条纹分布，且条纹密度会随着入射倾角的增大而增大。

图7 干扰源位于不同偏转角度时仿真得到的涡旋电场幅度及相位分布图

为了分析加载外部干扰源后的涡旋场信息是否还能够接收解调出完整的OAM模态信息，通过全口径采样接收方法计算得到在不同干扰源照射角度下OAM模态纯度随着采样接收半径变化的关系曲线图，以及在固定采样接收半径为300 mm处的OAM模态纯度谱分布图，如图8所示。结果表明，尽管加载外部干扰源后产生了串扰OAM模态分量，并且随着干扰源照射角度的变化，对应引入的串扰OAM模态分布和大小也会发生相应的变化，但主OAM模态依旧占据主要部分且可以实现正常的解调，此时通过选取合适的采样孔径大小有益于OAM波束的接收解调。

图8 不同干扰源照射角度下OAM模态纯度随着采样接收半径变化的关系曲线图

对仿真分析的OAM收发天线进行加工并构建出涡旋电磁波抗干扰测试场景如图9所示，测试结果与仿真分析结果相吻合，OAM模态收发天线阵列之间的传输系数相比于干扰源和接收阵列之间的传输系数，体现出较好的抗干扰效果。

图9测试场景及传输特性曲线图

该文主要设计了两种不同OAM模态的涡旋电磁波束收发天线阵列，并建立了相应的射频收发链路仿真模型。主要从涡旋电磁波空间电磁场分布的角度以及OAM模态正交性保持的角度，对轨道角动量涡旋电磁波的传输性能以及在有干扰源情况下其抗干扰性能进行了仿真、测试与分析。通过在有干扰源情况下对涡旋电磁波OAM模态谱以及OAM模态正交性进行分析，可以作为一个衡量维度对其抗干扰性能进行分析和把握，为涡旋电磁波将来在无线通信系统和雷达系统中的应用提供一些可供参考的设计思路和分析基础。

作者介绍

林屹峰，男，西安电子科技大学电子工程学院，在读硕士研究生，研究方向为阵列天线设计，电磁超表面理论与应用，以及轨道角动量在无线通信中的应用。

冯强，男，博士，西安电子科技大学电子工程学院华山准聘副教授，研究方向为电磁超材料理论与应用，阵列天线理论与设计，阵列信号处理，以及轨道角动量在无线通信中的应用。

李龙，男，博士，西安电子科技大学教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室主任，教育部新世纪优秀人才，陕西省杰出青年基金、陕西青年科技奖获得者。主要研究方向为智能超表面、超材料天线与微波器件、涡旋电磁波、无线能量传输与收集。

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编辑：周艺 李铭典

审核：于青 贾守新 

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