用于 6G 网络的多模 OAM 天线，具有减小波束发散的特性

为什么未来无线需要新的“扭转”

流媒体、云游戏、自动驾驶汽车和数十亿联网设备正把当今的无线网络推向极限。工程师们正在探索无线电波的一些非凡特性，以便在不占用额外频段的情况下传输更多信息。本研究聚焦于其中一种特性——电磁波在传播过程中可以产生的“扭转”——并展示了如何控制这种扭转，使信号传播更远且更强，这种能力对于未来的 6G 网络可能至关重要。

作为额外数据通道的扭曲无线电波

我们大多数人习惯把无线信号想象成在空间中传播的简单波动。实际上，这些波动也可以围绕传播方向旋转，携带所谓的轨道角动量（OAM）。不同的扭转——顺时针、逆时针或无扭转——表现为可在相同频率下互不干扰的独立通道。这意味着多个数据流可以共享同一频谱片段，从而提升链路容量，有利于高速连接和精确定位。问题在于，OAM 波束在传播时自然会向外扩散成一个锥形，这会削弱信号并限制其有效距离。

将两种天线理念融合为一体

产生这些扭曲波束的硬件主要有两种方法。均匀圆形小天线阵列易于重新配置，可以在不同扭转模式间切换，但其波束通常扩散较大。超表面——由薄的图案化层构成，能够引导并重塑波——可以生成窄而强的 OAM 波束，但制造和后续重新配置更困难。论文作者结合了两者的优势：他们以一个能够产生三种基本 OAM 模式（无扭转、左旋和右旋）的圆形阵列为起点，然后在其前方放置一个特别设计的透明超表面，充当平面透镜来抑制波束的发散。

平面透镜如何聚焦扭转波

圆形阵列由沿环形排列的小型 L 形缝隙天线组成，通过不同端口的馈电可以翻转扭转的手性或将其消除。在该环前方，研究人员安装了一个由 10×10 网格“蜘蛛网”形金属图案构成的双层超表面，这些图案蚀刻在电路板上。每个微小图案对通过的波施加不同的延迟，设计上的延迟分布模仿了一种称为轴透镜（axicon）的光学元件，使波前朝更集中的路径偏转，同时保留其扭转特性。尽管同一透镜用于所有扭转模式，但透镜的径向整形与波束自身的螺旋结构结合，使每种模式都形成各自不同的聚焦波前。

将新型天线付诸试验

为了验证设计的可行性，团队采用标准电路板工艺制造了圆形阵列和超表面，并在无电干扰的射频暗室中用精密扫描系统对其进行测量。他们比较了仅阵列与阵列加透镜时波束强度和相位在空间中的变化。测量结果证实，天线可靠地产生了三种目标扭转模式，每种模式均表现出典型的甜甜圈形强度分布和螺旋相位。加入超表面透镜后，这些图样变得明显更窄，主能量锥被压缩到更小的角度，同时仍保持居中且成形良好，尽管伴有略高的旁瓣和轻微降低的扭转纯度。

为下一代链路带来更锐利的波束

在三种扭转设定下，新型天线系统将波束的发散角大约减半——从约 18 度降至约 8–10 度——并提升了峰值增益，意味着更多发射功率被集中在有用方向上。对非专业读者而言，这意味着扭转信息能被无线电波更远、更高效地携带，使基于 OAM 的链路在实验室短距离之外更具实用性。通过将多功能的圆形阵列与紧凑的平面透镜整合，这项工作指向了更小、更智能的天线，有望帮助 6G 系统在不额外占用频谱的情况下更巧妙地突破当今的容量限制。

引用: Rao, M.V., Bhattacharyya, B., Ram, G.C. et al. Multimode OAM antenna with reduced beam divergence for 6G networks. Sci Rep 16, 8382 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34745-2

关键词: 6G 无线, 轨道角动量, 超表面透镜, 天线设计, 波束聚焦