基于HFSS的轨道角动量天线设计
基于HFSS的轨道角动量天线设计
轨道角动量（OAM）天线因其模数的无限性和正交性，在提升通信容量方面展现出巨大潜力。本文基于HFSS仿真软件，详细介绍了OAM天线的理论基础和设计过程，通过实验验证了设计的可行性，为相关领域的研究和工程实践提供了有价值的参考。
相关理论介绍
经典电磁理论指出，电磁辐射不仅携带线性动量，还有可能携带角动量。对光波而言，角动量和线性动量之间的关系可简单地表示为L =r +p ,其中表示角动量，r表示光子的位置矢量，p =mv 表示线性动量。角动量可分为自旋角动量SAM和轨道角动量OAM两部分，用S和J分别表示他们，则L可以表示为：
L = S + J
对于线极化光波，有S=0，在考虑传播方向上的角动量时，如z轴，它与x、y平面上的线性动量有关。p =mv =ε_0 E xB ,E和B分别表示电场和磁场。因此，对于TEM波而言，不论是圆极化波还是线极化波，其电场与磁场均存在于x、y平面内， 线性动量p平行于z轴，因此在传播方向上不会有角动量产生。这表明，在传播方向上，如果没有电场或者磁场的分布则角动量也不会产生。实际情况下，由于有限性的限制，TEM波是不存在的，轴向场总是存在，因此电磁辐射总会伴随着角动量的传输。如图1所示，涡旋波的坡印廷矢量放向不是沿着z轴直线传播，而是呈现“螺旋上升”的形式。
图1 涡旋电磁波坡印廷矢量变化示意图
图2 不同结构偶极子圆环阵
采用线极化的偶极子进行圆环排布，是得到涡旋波的常用方法，图2给出了（a）放射状结构，（b）切线结构和（c）均衡结构的三种排布方式。实验发现对于相同的阵元个数，实现相同的轨道角动量模式数时，沿一个方向放置的阵列比射线放置和切线放置的阵列所辐射的波束更准直，且有更少的副瓣和更强的辐射强度，并且，用阵列方法产生涡旋电磁波时，各阵元的极化方式必须相同，且只有在与发射阵元相同的极化方向上才能获得设定模态的涡旋电磁波。
对于由单元离散排列组合成的圆环，其产生的模式数量和单元个数有关，应满足-N/2<L<N/2。其中，N是单元个数，L就是OAM模式，馈电采用∆φ=2piL/n为每个单元间的相位差即可。
基于线性极化贴片单元的OAM天线设计
本节设计微带贴片形式的AOM天线，单元如图3所示。
图3 单元设计
图4和图5分别是单元的S11和增益情况，天线工作在X频段，中心频率选择10GHz，增益7.7dBi。将上述单元，呈圆环状排布，用图2的（c）形式，建立模型如下
图6 八单元结构
将设计的单元排布成图6的形式，根据前面的公式推导，L的取值可以是-3，-2，-1，0，1，2，3，再根据=2piL/n，可以得到单元的相位差，设置如图7。
图7 端口设置
图8 L=0，1，2，3的3D方向图
上图8和9给出不同模式 L=0，1，2，3情况下的远场辐射图和波前相位图，可以清楚地看到，不同模式下的增益和相位分布，用线性单元产生了OAM波。
总结
本文详细给出了OAM天线的理论基础和设计过程，有一定的指导意义。