涡旋电磁波特性及应用

郑史烈

浙江大学信息与电子工程学院

第二届电子信息青年学者论坛 西安 2017年11月19日

涡旋电磁波

― 轨道角动量（OAM）概念

涡旋电磁波基本特性

潜在应用

射频OAM产生

基于OAM的通信

存在问题

部分解决方案

OAM新概念和新应用

总结与展望

内容提纲 2

电磁波轨道角动量 (Orbital Angular Momentum) 3

轨道角动量

L. Allen, Phys. Rev. A, 45,

8185(1992)

自旋角动量

R. A. Beth, Phys. Rev.

50, 115(1936) Wikipedia

螺旋形的波前

― 涡旋性

数量无限的正交基

― 正交性

电磁波轨道角动量基本特性 4

0( , ), e p(, x )E z lE jz

z

xy

kkz

kφ

kρ

ρ

φ

一个可利用的新自由度

新的复用方式

OAM为传统电磁应用带来新的契机 5

成像 电磁感知 电磁波调控

通信

螺旋相位板(透射型） 6

G. A. Turnbull, et al., Opt. Comm., 1996

P. Schemmel, et al., Opt. Express, 2014

L. Cheng, et al., Sci Rep., 2014

X. Hui, S. Zheng, et al, IEEE Antenn. Wirel. Prop. Lett., 2015

平板透镜相位板（Flat-Lensed SPP） 7

-40 -20 0 20 40

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Ga

in (

dB

)

Theta (degree)

Simulated

Measured

a

h

lp

wp

ls

ws

Y. Chen, S. Zheng, et al., X. Zhang, IEEE Antenn. Wirel. Prop. Lett., 2016

5 layers Phase-shifting surface

l=1, f=60GHz

螺旋相位板(反射型） 8

S. Yu, et al., Applied physics Express, 9, 082202, 2016

Dual polarization, f=5.8GHz

E. Mari, et al., IEEE AWPL, 14:556, 2015

OAM 可重构的 SPP 9

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

0 10 20

0

10

20

X. Wang, S. Zheng, et al., IET Microwave Antenna propagation, 2017, accepted

l=1，2， 3， 4， f=10GHz

10

B. Thidé, et al., Phys. Rev. Lett., 2007.

S. Mohammadi, et al., IEEE TAP., 2010

馈电网络复杂

X. Bai, et al., Sci Rep., 6，27815，2016

Z. Guo, et al., IEEE AWPL, 16，404-407,2016

圆环阵列天线 Circular antenna array

11

z

x

y

r’

r

P(r, θ, φ)

dl

r-r’

φ

|r’|=a

I=I0e-jlφ

2[ ( sin ) sin ( sin )]jkr

r l l

jlC lE e J ka ka J ka

r ae

( sin )tan

j jlkr

l

C lkE j e J ka

re

a

2

( sin )jkr jl

l

C kE e J k

re a

2

cos( sin )jk jlr

r l

kaH j ka

reC e J

( sin )jljkr

l

kH C e J ka

re

( sin )tan

jkr j

l

llH jC kee J a

ra

只要天线源满足环形行波分布，即可产生携带射频轨道角动量的波束

相当于无限多个切向偶极子阵列天线

实现多样化，馈电方便，

S. Zheng, X. Zhang, et al., POEM, 2014

S. Zheng, et al., X. Zhang, IEEE TAP, 2015

环形行波天线

Traveling wave circular loop antenna

Metal ring resonator based slotted antenna 12

X. Hui, S. Zheng, et al., X. Zhang, Scientific Reports, 2015.

Dual OAM mode Antenna

2 2

0

2

2 1( ) ( )

lC

a

Metal ring resonator based slotted antenna 13

W Zhang, S. Zheng, et al., X. Zhang, AWPL, 16:194-197, 2017.

l = -2 l = +3 l = -3 l = 2

four OAM mode Antenna

基片集成波导（SIW based OAM antenna） 14

Y. Chen, S. Zheng, et al., X. Zhang, EuMW, 2015.

Y. Chen, S. Zheng, et al., X. Zhang, Electr. Lett., 2016.

h1 = 1.575 mm. h2 = 0.508 mm.

Rogers RT5880, r=2.2

rl2 = 9.48 mm, rl6 = 23.28 mm.

1 = 135° and 2 = 165

The entire board is 90 mm square.

l = 2 l = 6

介质谐振天线 Dielectric resonator antenna 15

(a) (b)

(d) (e)

(c)

(f)

Y. Pan, S. Zheng, et al., X. Zhang, APMC, 2015.

Y. Pan, S. Zheng, et al., AWPL, 16:385-388, 2017.

l=3 at 17.73 GHz

l=4 at 20.38 GHz

D=12 mm, h=5 mm, r=12 and s=3.66

基于OAM的通信 16

OAM Multiplexing within one aperture

A set of mutually orthogonal OAM modes transmit coaxially while demultiplexed

with low crosstalk.

In 2012, Venice experiment, the first radio communication using 2 OAM states (l=1 and 0)

at 2.4 GHz

F. Tamburini et al, New Journal of Physics, 2012, 14, 033001

基于OAM的通信 17

In 2014, 4 OAM states (l=1, 3) multiplexing and demultiplexing at 28 GHz

Y. Yan et al, Nat Commun, 2014, 5, 4876

双模OAM同轴通信 18

In 2015, 2 OAM states (l=3) multiplexing and demultiplexing at 60 GHz, using a pair of

dual OAM mode antenna

X. Hui, S. Zheng et al, Scientific reports, 2015, 5, 10148

四模OAM同轴通信 19

LO

l = -6

l = +6

l = -2

l = +2

Mixer LNA Rx Antenna

l = -6

l = +6

l = -2

l = +2

Tx Antenna

LO

Mixer BPF PA

OFDM-QPSK

8bit/s/Hz

Rx Tx

l=-2 l=+2 l=-6 l=+6

l=+2 0dB -10.5 -14.3 -10.7

l=-2 -8.2 0dB -17.1 -12.1

l=+6 -10.3 -9.8 0dB -

24.5

l=-6 -21.8 -5.2 -26.3 0dB

>10 m

10GHz

W. Zhang, S. Zheng, et al., X. Zhang, IEEE Antenn. Wirel. Prop. Lett., 2016

基于Rotman透镜的OAM复用通信 20

C. Xu, S. Zheng, et al., X. Zhang, IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett, 2016

OAM实际应用存在问题 21

中心黑斑

S. Zheng et al., IEEE Trans. Ant. Propag.,63(2015)

M. Tamagnone, et al., New J. Phys, 2013

B. Thide, et al., Phys. Rev. Lett., 2007

传输轴上没有能量

没有如此大孔径天线

正交性不能保证

OAM新接收机制

OAM新通信系统

不同态链路估计不同 波束发散

部分孔径接收 Partial angular receiving 22

S. Zheng, et al., S. Yu, X. Zhang, Opt. Exp., 2015

Y. Hu, S. Zheng, et al., X. Zhang, IET Microw., Antenn. Prop., 2016

1 2 1 2

2 / 2 /

( )

0 0 0 0

( , ) ( , )

m m

il il i l lU A z d e e d A z d e d

l1- l

2= mn m = ±1, ± 2, ± 3, ... n =1,2,3,...

结论：用1/n圆弧部分接收时，拓朴荷相差nm的OAM态是完全正交

部分孔径接收实验 23

W. Zhang, S. Zheng, et al., X. Zhang, IEEE Comm. Lett., 2016

W. Zhang, S. Zheng, et al., X. Zhang, IEEE IMS, 2016

OAM通信新方案 24

F. Tamburini, et al, Radio Science, 10.1002/2015RS005662

OAM waves propagate along different spatial axes and are not transmitted through the same aperture

In 2015, 3 OAM states (l=0, 1) data transmission at 17 GHz

In 2016, OAM-MIMO system

Z. Zhang, S. Zheng, et al, Scientific reports, 2016,6,25418

• 二维结构

•

• 螺旋相位分布

• 平面螺旋传播

平面螺旋OAM波 (PS-OAM) 25

• 三维结构

•

• 涡旋波前

• 圆锥形涡旋传播

PS-OAM OAM

S. L. Zheng, et al., X. M. Zhang, IEEE APMC, 2015.

Z. F. Zhang, et al., X. M. Zhang IEEE IMS, 2016.

PSOAM 天线 26

Z. Zhang, S. Zheng, et al, IEEE AWPL, 2016,16,8-11

Simulated far-field 3-D pattern E-plane radiation pattern H-plane radiation pattern.

Cross section of antenna PSOAM antenna Phase distribution

介质填充环形谐振器缝隙天线

εr = 10.2 D=27.16 mm

R. Dong , S. Zheng, 2017 APMC

27

PSOAM-MIMO 系统 28

Z. Zhang, S. Zheng, et al., X. Zhang, IEEE IMS, 2016

Z. Zhang, S. Zheng, et al., X. Zhang, IEEE MWCL, 2017

更高的容量增益，BER更低

等效模型 29

6 : / 2equivalentL L

PSOAM antenna MIMO antenna Equivalent MIMO antenna

Tx0 Tx1 Tx2 Tx3

Rx0 Rx1 Rx2 Rx3

L=-30 45 15 -15 -45

L<0, but L

/ 2equivalent

meets

L

6 : / 2equivalentL L

S. Zheng, et al, IEEE Access, 2017

基于PSOAM波束的计算成像 30

• 通过PSOAM天线产生的不同OAM模式测量，对不同模

式的回波信号进行基于压缩感知原理的信号重构，得到

散射体在成像区域内的位置。

• 利用OAM模式的正交特性作为测量模式；利用不同

PSOAM天线产生不同模式；无需机械扫描及宽带信号，

极大减少测量模式数。

成像区域：

8-14λ×360°.

分辨率：

0.4λ×2°

模式数：12

Y. L. Chen, S. L. Zheng, et al.,, J. Appl. Phys., 2017.

基于PSOAM的结构电磁波

• 理论上，PSOAM可以合成任意的二维辐射图

X. M. Zhang, “Possible Applications of RF Orbital Angular Momentum,” OAM Workshop, ACP, 2015

l=1, l=2, l=3, l=4

0 45 90 135 180 225 270 315 360

31

波束成型 Beam Forming

• 局部涡旋特性

l=1, 2, 3, 4 l=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

4 modes 8 modes

-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180

• 模式与3dB波束宽度

32

多波束 33

S. L. Zheng, X. M. Zhang, et al, submitted to IEEE Trans. Anten. Propag., minor revision

1,2,3,4,5,6 8{ },7,l

0 0

0 0

1

, , ,

0

Nj l n

N l

n

l

lF e

l : OAM间隔

模群正交性 34

• 模群A, {la1, la2, ... , lam}, 模群 B, {lb1, lb2, ... , lbn}

• If {la1, la2, ... , lam } ∩ {lb1, lb2, ... , lbn } =0, 模群A和模群B正交

-45 -30 -15 0 15 30 45 l=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

8 modes

l=11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18

0 00 0

1810

1

8 18

1 11 1

j jl

l

jl jl

l l

F e ee e

S. L. Zheng, X. M. Zhang, et al, submitted to IEEE Trans. Anten. Propag., minor revision

波束扫描 35

• 没有波束畸变问题

• 使用相移控制而不是时间延迟控制

0=0 0=45 0=90 0=135

0=180 0=225 0=270 0=315

0 0

1

0

Nj l n

n

F e

S. L. Zheng, X. M. Zhang, et al, submitted to IEEE Trans. Anten. Propag., minor revision

总结与展望 36

涡旋电磁波是一种特殊电磁波，表征电磁波的空间分布特性，为传统

电磁应用带来新的机遇

在通信领域有挑战：发散小的天线、先进的接收机制、与MIMO技术

相结合，高模态小口径天线

引入平面螺旋OAM波的概念， OAM波的三维分布简化为二维分布。

可解决OAM的固有问题，有利于波束控制，OAM模式组合可“结构

化”RF波束。

OAM在未来电磁感知等领域具有潜在的应用价值，亟待新概念新技术

以及新应用的出现。

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