渦旋電磁波在無線通信系統中的應用

1、前言

放眼當下，無線通信產業的飛速發展，為廣大用戶提供便利的同時，無線頻譜需求量的急劇增加與有限的頻譜資源之間的矛盾變得越來越突出。為緩解這種矛盾，迫切需要更高速、更高效、更智能的新一代無線移動通信技術，在頻譜資源有限的情況下，進一步有效提升頻譜利用率，軌道角動量復用技術作為一種可能的解決措施，在無線通信中獲得了國內外學者的廣泛研究。

2、軌道角動量復用技術?

目前常用的移動通信、廣播電視、衛星通信和導航等均基于平面電磁波理論（球面波的遠距離近似），其等相位面與傳播軸垂直。電磁波的軌道角動量（orbital angular momentum ：OAM）特性卻使得電磁波的等相位面沿著傳播方向呈螺旋上升的形態，故軌道角動量電磁波又稱“渦旋電磁波”，如下圖所示[1]。

圖1 軌道角動量電磁波與常規電磁波示意圖

與頻分復用（FDM）、時分復用（TDM）、碼分復用（CDM）、空分復用（SDM）類似，電磁波的軌道角動量為無線通信系統提供了另一個復用維度，所以預見其傳輸能力無可限量。渦旋電磁波的場表達式中具有的相位因子，每一個軌道角動量態可被一個量子拓撲電荷(topological? charge)?來定義，可取任意的整數值，拓撲電荷亦被稱作軌道角動量的階數。具有不同拓撲電荷的電磁渦旋波間相互正交，因此在無線傳輸過程中，可以在同一載波上將信息加載到具有不同軌道角動量的電磁波上，而相互之間不影響，這種復用技術不僅可有效提高頻譜利用率，而且具有更高的安全性[2]。此外，由于軌道角動量在理論上可以擁有無窮維階數（?取任意的整數值），故理論上同一載波頻率利用軌道角動量電磁渦旋復用可獲得無窮的傳輸能力[3]。

3、軌道角動量電磁波的特點

軌道角動量電磁波的一個顯著特點就是對于的情況，電磁波的相位分布沿著傳播方向呈螺旋上升的形態。圖2列出了具有不同拓補電荷的軌道角動量電磁波的等相位面。圖2（a）所示為等相位面與傳播軸垂直的平面電磁波，對應的0階軌道角動量電磁波。圖2（b）顯示了拓撲電荷的電磁波的形態，沿著傳輸軸觀測，在一個周期內，電場相位圍繞傳輸軸逐漸變化了 360°，所以其具有

的相位因子，所攜帶的軌道角動量為 1階。圖2（c）表示拓撲電荷

的軌道角動量電磁波，沿著傳輸軸觀測，在一個周期內，電場相位繞傳輸軸逐漸改變 720°，因而其電場的表達式中具有的相位項，所具有的軌道角動量為 2 階。圖2（d）中表示的電磁波具有拓撲電荷的三階軌道角動量[4]。

圖2具有不同拓補電荷的軌道角動量電磁波示意圖

渦旋電磁波的另一個重要特點是波束整體呈發散形態，波束中心存在凹陷，中心能量為零，整個波束呈現中空的倒錐形，且絕對值越大，倒錐形對應的圓心角越大。圖3 所示的仿真結果很好地描繪了渦旋電磁波的波束形態[5]。

圖3相控陣天線產生的軌道角動量電磁波

左上：?，右上：?，左下：?，右下：

當時，電磁波不具備渦旋特性，相控陣天線的最大輻射方向沿著Z軸。當的值由1變化到2繼而變化到4時，電磁波束原本的最大輻射方向開始出現輻射暗區，且隨著的增大，該暗區逐漸擴大，波束發散越來越厲害，這對電磁波的接收造成了困擾，已成為制約渦旋電磁波進一步發展和普及的重要因素之一。

4、軌道角動量復用技術在無線通信系統中的應用前景

如前文所述，各階軌道角動量電磁波之間的相互正交性，為無線通信系統的信息傳輸提供了一個新的維度，且在理論上可獲得無窮的傳輸能力。但由于渦旋電磁波整個波束呈現中空的倒錐形，電磁波波束發散，且隨著傳輸距離的增大，環形波束的半徑越來越大，不得于接收。

對這種電磁波的接收，現有的方法是采用一個大口徑的天線（或天線陣）將整個環形波束接收下來。隨著傳輸距離增大，所需接收天線尺寸也越來越大。這種接收方法在長距離傳輸時變得異常困難，比如10公里的傳輸，天線口徑將達到100米以上；100公里的傳輸，則需要1公里直徑天線[1]，鑒于此原因，渦旋電磁波目前還未能應用于遠距離傳輸。

文獻[6]實現了僅2.5米長的32 Gbits-1的軌道角動量毫米波通信鏈路，在X極化和Y極化上均成功傳輸了軌道角動量為的渦旋電磁波，共計8個通信信道，誤碼率低于，通信鏈路框圖如圖4所示[6]。2016年12月，清華大學航天航空學院航電實驗室成功完成世界首次微波頻段軌道角動量（OAM）電磁波27.5公里長距離傳輸實驗[1]，標志著我國在軌道角動量電磁波的研究上取得了重大的成果與進展，但由于測試資料與分析資料較少，尚無法知曉該傳輸實驗是否涉及多個軌道角動量電磁波的同時傳輸。