1.3 射频涡旋电磁波的产生方法概述

如今,OAM涡旋电磁波已引起了国内外研究学者们的广泛关注，多种产生方法相继被提出。在微波射频波段产生涡旋电磁波，常用的有三种方法，分别是透射型螺旋相位板、螺旋反射面和环形阵列天线。下面分别对这三种方法的优缺点进行简要介绍。

1.3.1 螺旋相位板

在产生OAM涡旋电磁波的方案中，透射型螺旋相位板( SPP, Sprial Phase Plate)的应用最为广泛，如图1.4所示。当常规平面电磁波通过螺旋相位板时，由于螺旋相位板不同位置处的介质厚度不同，不同位置处的透射波有特定的波程差，以改变透射波的波前相位，进而形成具有exp(- jlφ )的螺旋相位因子。这种方法能够将常规的平面电磁波转换为携带有OAM的涡旋电磁波，其中厚度 d 与OAM模态 l 的关系为 d = lλ /( n -1), n 是相位板介质的折射率。这种方法来源于光学，特点是理论清晰，结构简单，易于实现，而且对来波极化不敏感，根据波源极化的不同，可用于产生线极化、双极化以及圆极化的涡旋电磁波。然而，由于射频微波波段的波长较大，导致透射型螺旋相位板的尺寸往往很大。例如当频率为1GHz时，波长为30 cm,常用的介质 n =1.5( ε =2.2)。对于模态 l =2,利用厚度与模态的关系可得 d =1.2m。对于如此厚的介质板，不但成本高、体积大，而且笨重。同时，由于介质的存在导致波阻抗不匹配，很大一部分入射波功率会被反射损失掉，因此产生的涡旋波束的效率很低，不利于远距离传输。

1.3.2 螺旋反射面

用于产生OAM涡旋电磁波的螺旋反射面结构可分两类，一类是螺旋抛物面［图3.3(a)］,另一类是阶梯型反射面［图3.3(b)］。这些方法基于几何光学原理，当馈源天线发出的常规电磁波束照射到螺旋反射面上时，由于螺旋反射面具有特殊的螺旋几何结构，使得反射波束的波前具有特定的螺旋相位分布。使用螺旋反射面产生OAM涡旋电磁波具有很多优点，由于是金属反射结构，它克服了透射型螺旋相位板的介质传输损耗；同时，原理简单，容易设计，波束转换效率高，因此也最早被Bo Thide等人用于OAM通信实验的原理验证。螺旋反射面的缺点也是显而易见的。对于螺旋抛物反射面来说，这种特殊的曲面加工较为困难，曲面各个位置处的曲率均有特殊要求，因此需要很高的加工精度，而阶梯型反射面体积较大，显得十分笨重，这些问题限制了螺旋反射面的应用范围。

1.3.3 环形阵列天线

如今，相控阵天线技术已经十分成熟，特别是在卫星通信、遥感和雷达等领域应用十分广泛。由于相控阵天线可以灵活控制各个单元天线的馈电相位，因此也能用于产生OAM涡旋电磁波。环形阵列天线是相控阵天线的一种，由于可以通过简单调节阵元间相位差以产生精确的OAM涡旋电磁波，目前被认为是产生OAM涡旋电磁波最方便、最有效方法之一。只需将 N 个天线等间隔排列成一个圆环，使相邻天线间的馈电相位相差 ,即可产生模态为 l 的OAM涡旋电磁波。然而，对于这类传统相控阵列天线，最令人头疼的就是需要设计复杂的馈电网络，特别是在相移器仍然十分昂贵的今天，制作产生OAM涡旋电磁波的环形阵列天线需要很高的制作成本。值得关注的是，环形阵列天线阵元个数与可产生最大的OAM模态存在一定数学关系，即| l |< N / 2。当需要产生高模态的OAM涡旋电磁波时，需要更多的天线阵元，这无疑增加了天线系统的复杂度，不利于大规模推广。