基站天线“黑科技”：角动量天线技术
看了上一篇《千亿天线产业：路在何方》，相信各位天线从业者那颗悬着的心终于可以放下一些了，随着5G网络的大规模建设，天线产业不可避免要面临产业升级。面对频段增多、频率增高、场景细化等现状，天面空间告急、天线性能提升、定制化覆盖需求等问题接踵而至。应对这些问题，现在的基站天线还有很多不尽如人意的地方，那么后续有哪些新技术方向可以引入呢？在上一篇文末提到的超材料、角动量等新技术也是现在天线行业最热门的几个话题，今天，九鼎将以连载的方式和各位伙伴以及广大吃瓜群众一起聊一聊天线行业目前最火热的几个“黑科技”：
1.角动量天线技术
2.液态金属天线技术
3.超材料技术
4.透镜天线技术
5.毫米波技术
各位小伙伴，如果你觉得物理课上学习的各种专有名词只能停留在试卷上，那可就大错特错了，三角函数、动量守恒等等在工业界早已广泛应用。今天为大家带来的“黑科技”第一弹，就来自大学物理——角动量。
一、物理名词强势落地——角动量天线技术
通信天线从最初的单极化到双极化，再到MIMO天线，使得通信系统在容量方面有了明显的提升。在未来，提升系统容量， 依然是通信领域的关键技术之一。
轨道角动量（天线）是近几年的新兴技术，其利用具有不同本征值的涡旋电磁波的正交特性，通过多路涡旋电磁波的叠加实现高速数据传输，为移动通信提供了新的物理维度。
1992年， Allen等人第一次证实了轨道角动量（OAM）的存在，开启了轨道角动量的应用探讨。最初OAM主要应用于光通信领域，直到2007年瑞典科学家首次提出将光子OAM应用于低频，并通过仿真验证了可以使用相控阵列天线产生涡旋电磁波。2014年，Yan等人通过实验演示了利用轨道角动量复用进行32Gbit/s的毫米波通信，距离传输为2.5m，频谱效率为16bit/s/Hz。
那么什么是轨道角动量呢？
1.背景原理——源自经典电动力学
轨道角动量普遍存在于各种物理机制中，如水中的漩涡，大气中的龙卷风等。除此之外，轨道角动量也存在于波和场的运动当中，如光涡旋，引力场形成的黑洞等。这些涡旋的相似之处都在于其呈螺旋结构。电磁波同大气、光一样，也可以携带轨道角动量。
自然界中的涡旋运动
根据经典电动力学理论， 电磁辐射既携带线动量也携带角动量，其中，角动量又由自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）组成。自旋角动量仅与光子的自旋有关，类似于地球的自转，对应我们平时常说的线极化、左旋圆极化和右旋圆极化。
自旋角动量示意图
轨道角动量表示电子绕传播轴旋转，类似地球的公转，是由能量流围绕传播轴旋转而产生的，它使电磁波的相位波前成涡旋状。当电磁波传播一个波长时，其螺旋波前可以改变2π的L倍，L即轨道角动量量的模式数，可以为任意整数。如下图所示为不同模式下的电磁波波前结构。
轨道角动量示意图
不同模式电磁波波前结构
L=1和L=2的相位面
2.优势——容量加倍
当我们建立了涡旋电磁波相位结构以后，我们会想如何将这种涡旋电磁波相位结构与容量提升结合？通过理论计算，不同模式的OAM相互正交，携带不同轨道角动量模式的涡旋电磁波传输过程中不会相互干扰，也就是说，涡旋电磁波如果在传播时携带多个模式，这就使得信道容量成倍的增加。
轨道角动量的应用离不开涡旋电磁波的产生，OAM天线起到了至关重要的作用。从轨道角动量的原理上，我们可以看出：在与传播方向垂直的横截面上构造不同模下的相位分布， 即可产生对应模式的涡旋电磁波，如果构造多个模式，则可以产生多模复用效果，提升通信系统容量。目前常用的轨道角动量天线多采用圆形阵列天线、螺旋反射面天线、螺旋投射结构等。
圆形阵列天线
螺旋反射板天线
螺旋透射天线
3.产学研现状——百花齐放
随着技术研究的深入， 也有一些其他涡旋电磁波产生技术，如超材料表面、行波天线、漏波天线、贴片天线、介质谐振天线、Rotman透镜、全息光栅等。2014年，Baptiste Palacin利用圆环天线阵列接8*8巴特勒馈电网络，实现7种模式的涡旋电磁波【1】；2016年，BaiyangLiu将天线极化和多模式的轨道角动量结合到一起，设计了双极化双模式的天线阵【2】。2017年，Xu-Dong Bai设计了Rotman透镜天线阵列可产生5种模式的轨道角动量电磁波方案【3】。国内西安电子科技大学利用人工电磁表面材料产生OAM波束【4】；上海交大通过仿真实现了基于石墨烯的可重构OAM天线【5】，其他高校也在OAM天线实现上做了大量研究。
双极化双模OAM天线
超表面材料OAM天线
石墨烯可重构OAM天线
4.应用挑战——落地仍需努力
虽然轨道角动量天线在提升信道容量方面有极大的潜能，但是也存在很多的问题需要研究：
1、涡旋电磁波的产生比较复杂，主要是馈电结构复杂，整体复杂度高，设计难度大，系统总体造价高等。
2、涡旋电磁波的传输易受干扰。其受多径效应影响较大，发射和接收天线没对准会导致不同OAM信道间的串扰增加。
3、涡旋电磁波的接收困难。由于涡旋电磁波中心相位存在奇点，中心幅度为零，且具有发散性，随着传播距离的增加，波束发散度变大。这就限制了传输距离，同时对接收天线尺寸要求比较大。目前清华大学已经研究了部分孔径接收法，但尚不成熟。
综上所述，轨道角动量在无线通信中应用面临挑战，但仍是未来天线研究热点之一。
还有更多有趣的“黑科技”与大家分享，欢迎关注我们的文章。精彩内容，敬请期待！
【1】Q. Bai, A. Tennant, E. Cano B. Allen. An experimental phased array for OAM generation[C].
【2】B. Y. Liu, Y. Cui, R. L. Li. A broadband dual-polarized dual-OAM-mode antenna array for OAM communication[J].
【3】Bai, X.D. et al. Rotman Lens-Based Circular Array for Generating Five-mode OAM Radio Beams[J].
【4】L. Guan, Z. He, D. Ding. Polarization-Controlled Shared-Aperture Metasurface for Generating a Vortex Beam With Different Modes[J].
【5】Z. Chang, B. You, L. Wu. A Reconfigurable Graphene Reflectarray for Generation of Vortex THz Waves[J].
