姓名：陈敏
学号：21011210025
学院：通信工程学院
【嵌牛导读】基于螺旋阵列天线的OAM通信系统涡旋波接收
【嵌牛鼻子】轨道角动量，涡旋电磁波
【嵌牛提问】UCA-OAM通信系统如何接收涡旋波接收？
【嵌牛正文】
螺旋阵列天线，其结构如图1所示。
图1 螺旋阵接收天线结构示意图
如图1所示的螺旋阵列天线，其阵列轨迹为阿基米德螺旋线。阵元半径为
其中a为初始阵元半径，b为半径因子。b决定了螺旋阵阵元半径的变化量，当b为正时，螺旋阵为右螺旋，当b为负时，螺旋阵为左螺旋。众所周知，由OAM波束的三维辐射图可知要在电场强度相对较大的接收区域放置接收天线才有可能提高信道容量。可通过选择合适的初始阵元半径a和半径因子b，使得接收端螺旋阵列的阵元放置在辐射强度较大的区域以更好地接收涡旋电磁波。本节所述的螺旋阵相较于均匀圆阵来说仅仅改变了阵元的半径，使阵元半径随着阿基米德半径因子而变化。
在理想状态下，发射端均匀圆阵阵元与接收端螺旋阵阵元的距离可以表示为
接下来仿真螺旋阵接收OAM波束以证明其能够获得更高的信道容量以及说明信道容量与螺旋阵半径因子的关系。假设在理想传输状态下，OAM模态值为1，发射端均匀圆阵半径为10个波长，当收发端天线阵的距离固定为100个波长时，接收端螺旋阵的半径因子与信道容量的关系仿真如下：
当接收端螺旋阵的初始半径与发射端圆阵的半径相同时，即为10个波长，二者关系如图2所示。
图2 螺旋阵半径因子与信道容量的关系（初始半径为10 ）
由图4-5可知，当螺旋阵半径因子为零时，即接收端天线阵列为均匀圆阵，此时的信道容量并不能达到最大值，而当半径因子为区间（-0.2，0）内的某个值时，信道容量会达到最大值。
为了使结论更具有一般性，使接收端螺旋阵的初始半径分别为11，12，7，6时进行仿真，二者关系如图3所示。
图3 (a)初始半径为11
图3 (b)初始半径为12
图3 (c)初始半径为7
图3 (d)初始半径为6
由图3可以看出，当阵列半径因子为零时，接收端为均匀圆阵，其半径等于螺旋阵的初始阵元半径。观察上述四幅图中红线所对应的位置，在现实情况中会有很多因素的影响使接收阵元半径产生误差，不再是理想状态下的10。假设由于误差的影响使接收半径变为 11，12，7，6，在这种情况下信道容量会有所减少，尤其在半径为 11和6时，其信道容量急剧下降。
当阵列半径因子不为零时，接收端为螺旋阵，可通过选择合适的半径因子使信道容量达到最大值。所以螺旋阵相较于均匀圆阵的优势所在就是可以提高信道容量。
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