渦旋電磁波在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、前言

放眼當(dāng)下，無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，為廣大用戶提供便利的同時(shí)，無(wú)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(lái)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(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)，在頻譜資源有限的情況下，進(jìn)一步有效提升頻譜利用率，軌道角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)作為一種可能的解決措施，在無(wú)線通信中獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。

2、軌道角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)?

目前常用的移動(dòng)通信、廣播電視、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航等均基于平面電磁波理論（球面波的遠(yuǎn)距離近似），其等相位面與傳播軸垂直。電磁波的軌道角動(dòng)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(tài)，故軌道角動(dòng)量電磁波又稱“渦旋電磁波”，如下圖所示[1]。

圖1 軌道角動(dòng)量電磁波與常規(guī)電磁波示意圖

與頻分復(fù)用（FDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）、碼分復(fù)用（CDM）、空分復(fù)用（SDM）類似，電磁波的軌道角動(dòng)量為無(wú)線通信系統(tǒng)提供了另一個(gè)復(fù)用維度，所以預(yù)見(jiàn)其傳輸能力無(wú)可限量。渦旋電磁波的場(chǎng)表達(dá)式中具有的相位因子，每一個(gè)軌道角動(dòng)量態(tài)可被一個(gè)量子拓?fù)潆姾?topological? charge)?來(lái)定義，可取任意的整數(shù)值，拓?fù)潆姾梢啾环Q作軌道角動(dòng)量的階數(shù)。具有不同拓?fù)潆姾傻碾姶艤u旋波間相互正交，因此在無(wú)線傳輸過(guò)程中，可以在同一載波上將信息加載到具有不同軌道角動(dòng)量的電磁波上，而相互之間不影響，這種復(fù)用技術(shù)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(dòng)量在理論上可以擁有無(wú)窮維階數(shù)（?取任意的整數(shù)值），故理論上同一載波頻率利用軌道角動(dòng)量電磁渦旋復(fù)用可獲得無(wú)窮的傳輸能力[3]。

3、軌道角動(dòng)量電磁波的特點(diǎn)

軌道角動(dòng)量電磁波的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是對(duì)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(tài)。圖2列出了具有不同拓補(bǔ)電荷的軌道角動(dòng)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(duì)應(yīng)的0階軌道角動(dòng)量電磁波。圖2（b）顯示了拓?fù)潆姾?img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/9E/58/wKgaomToBtKAD4lmAAABuurROcU351.png" alt="24f98268-1cae-11ee-962d-dac502259ad0.png" />的電磁波的形態(tài)，沿著傳輸軸觀測(cè)，在一個(gè)周期內(nèi)，電場(chǎng)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(dòng)量為 1階。圖2（c）表示拓?fù)潆姾?img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/9E/58/wKgaomToBtOAAL0dAAAB8UUgqDo712.png" alt="252885f4-1cae-11ee-962d-dac502259ad0.png" />

的軌道角動(dòng)量電磁波，沿著傳輸軸觀測(cè)，在一個(gè)周期內(nèi)，電場(chǎng)相位繞傳輸軸逐漸改變 720°，因而其電場(chǎng)的表達(dá)式中具有的相位項(xiàng)，所具有的軌道角動(dòng)量為 2 階。圖2（d）中表示的電磁波具有拓?fù)潆姾?img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/9E/58/wKgaomToBtOAUNztAAAB794T59k706.png" alt="2563a76a-1cae-11ee-962d-dac502259ad0.png" />的三階軌道角動(dòng)量[4]。

圖2具有不同拓補(bǔ)電荷的軌道角動(dòng)量電磁波示意圖

渦旋電磁波的另一個(gè)重要特點(diǎn)是波束整體呈發(fā)散形態(tài)，波束中心存在凹陷，中心能量為零，整個(gè)波束呈現(xiàn)中空的倒錐形，且絕對(duì)值越大，倒錐形對(duì)應(yīng)的圓心角越大。圖3 所示的仿真結(jié)果很好地描繪了渦旋電磁波的波束形態(tài)[5]。

圖3相控陣天線產(chǎn)生的軌道角動(dòng)量電磁波

左上：?，右上：?，左下：?，右下：

當(dāng)時(shí)，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(dāng)的值由1變化到2繼而變化到4時(shí)，電磁波束原本的最大輻射方向開(kāi)始出現(xiàn)輻射暗區(qū)，且隨著的增大，該暗區(qū)逐漸擴(kuò)大，波束發(fā)散越來(lái)越厲害，這對(duì)電磁波的接收造成了困擾，已成為制約渦旋電磁波進(jìn)一步發(fā)展和普及的重要因素之一。

4、軌道角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

如前文所述，各階軌道角動(dòng)量電磁波之間的相互正交性，為無(wú)線通信系統(tǒng)的信息傳輸提供了一個(gè)新的維度，且在理論上可獲得無(wú)窮的傳輸能力。但由于渦旋電磁波整個(gè)波束呈現(xiàn)中空的倒錐形，電磁波波束發(fā)散，且隨著傳輸距離的增大，環(huán)形波束的半徑越來(lái)越大，不得于接收。

對(duì)這種電磁波的接收，現(xiàn)有的方法是采用一個(gè)大口徑的天線（或天線陣）將整個(gè)環(huán)形波束接收下來(lái)。隨著傳輸距離增大，所需接收天線尺寸也越來(lái)越大。這種接收方法在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)變得異常困難，比如10公里的傳輸，天線口徑將達(dá)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(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸。

文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了僅2.5米長(zhǎng)的32 Gbits-1的軌道角動(dòng)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(dòng)量為的渦旋電磁波，共計(jì)8個(gè)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(xué)航天航空學(xué)院航電實(shí)驗(yàn)室成功完成世界首次微波頻段軌道角動(dòng)量（OAM）電磁波27.5公里長(zhǎng)距離傳輸實(shí)驗(yàn)[1]，標(biāo)志著我國(guó)在軌道角動(dòng)量電磁波的研究上取得了重大的成果與進(jìn)展，但由于測(cè)試資料與分析資料較少，尚無(wú)法知曉該傳輸實(shí)驗(yàn)是否涉及多個(gè)軌道角動(dòng)量電磁波的同時(shí)傳輸。

圖4 2.5米軌道角動(dòng)量毫米波通信鏈路

5、總結(jié)

本文在介紹軌道角動(dòng)量電磁波的基本概念和兩個(gè)重要特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，明確了其在接收環(huán)節(jié)上存在的技術(shù)瓶頸，同時(shí)也指出了由于其為復(fù)用技術(shù)提供了另一個(gè)新的維度，故可有效提高頻譜復(fù)用率，極利于緩解無(wú)線頻譜需求量急劇增加與有限的頻譜資源之間的矛盾。

作者簡(jiǎn)介

黎璐玫，女，1992年生，碩士研究生，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心福建監(jiān)測(cè)站助理工程師。主要研究方向：寬帶天線設(shè)計(jì)、圓極化天線設(shè)計(jì)、無(wú)線電監(jiān)測(cè)。

李文惠，男，1985年生。現(xiàn)任廈門地震勘測(cè)研究中心助理工程師。

來(lái)源：中國(guó)無(wú)線電管理網(wǎng)站? ?原文登載于《數(shù)字通訊世界》雜志2018.01期

審核編輯：劉清