电磁涡旋通信技术发展与现状

常 青, 林 川, 李显旭

(北京航空航天大学电子与信息工程学院, 北京 100191)

0 引 言

随着当今无线通信技术的迅猛发展,信息化已成为当今时代的主流。军事战场复杂的多系统融合、庞大的通信网及信息的实时传输都对现有系统的通信容量提出了前所未有的挑战。然而,传统提高频谱利用率的方法——极化复用、时分复用、频分复用、码分复用等技术日趋成熟,频谱资源已不堪重负,如何进一步提高频谱利用率一直是无线通信领域研究的热点问题。

电磁涡旋技术是一种利用粒子的轨道角动量特性来进行高效信息传输的新型无线通信技术。自首次外场试验成功以来[1],电磁涡旋技术引起了国内外相关领域专家的高度关注。该技术从粒子层面出发,把量子力学中的轨道角动量理论应用于无线通信领域,使得拥有不同轨道角动量模态的电磁波能够在同频、同极化的条件下进行复用,有效提升通信系统的频谱效率[2],为无线通信超谱调制提供了一种全新的实现方案。

1 电磁涡旋基本原理

关于粒子轨道角动量的研究首先在光学领域展开并取得了一系列研究成果。直到近十几年,人们才将目光陆续转向无线电领域。根据“光也是一种电磁波”的结论,人们希望轨道角动量在光学领域取得的成功能应用于无线电通信。

依据电动力学基本理论,电磁场不仅携带线性动量,还携带角动量。角动量可以进一步分为与极化相关的内在旋转和外在旋转[3]。极化是量子力学粒子旋转的经典表现。因此,这种内在的与极化相关的旋转被称为自旋角动量(spin angular momentum,SAM)。SAM与电磁波的偏振结构有关,其宏观表现为2种正交的极化形式,如左旋圆极化和右旋圆极化。

图1 SAM与极化Fig.1 SAM and polarization

粒子的外在旋转称为轨道角动量(orbital angular momentum,OAM),该参量与波阵面有关。携带OAM的波束呈现出螺旋形波阵面,其坡印廷矢量不再与传输方向平行,而是出现一个夹角。理论上这种轨道角动量存在无穷多个模态,模态间的正交性可提升通信容量。用l表示模态值,可取任意整数,如图2所示。

图2 螺旋相位 Fig.2 Spiral phases

也就是说,电磁场的总角动量J由与位矢r无关的自旋角动量S及与位矢r有关的轨道角动量L组成,即

ε0r×(E×B)=L+S

(1)

其中

(2)

式中,ε0≈8.854 187 817×10-12F/m为真空介电常数;E为电场强度;B为磁感应强度。

2 电磁涡旋通信的发展历史

2.1 电磁涡旋的早期发展

长久以来,人们对于角动量这一物理量的研究大多集中于SAM上。早在1909年,Poynting就从理论上预测了电磁场SAM的力学效应[4],并提出了在光波束从线偏振到圆偏振的转换中,伴随着角动量的交换。1936年,Beth[5]将偏振光束照射在石英光纤波盘上,引发了波盘的旋转,从实验上验证了SAM的致旋效应。

图3 角动量力学效应Fig.3 Mechanics effects of angular momentum

尽管早在19世纪50年代人们就已经意识到独立于SAM的OAM,但直到1992年Allen才指出轨道角动量其实是螺旋相位光束的自然属性,并在拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)光速上给出了OAM的定义[6]。至此,关于OAM的深入研究才大量展开,并延伸至多个领域,包括:雷达[7-8]、纳米技术[9]、量子实验[10]、天文[11-14]、太阳系外行星的探测[15]和Kerr黑洞检测[16]等。

图4 Kerr黑洞检测Fig.4 Detection of Kerr black hole

2004年,第一个基于OAM的自由空间光通信实验由Gibson等人完成[17]。随后,Bo Thidé的博士生Johan Sjöholm和Kristoffer Palmer在他们的博士论文中对OAM的电磁辐射特性进行了分析,并研究了向量天线阵列产生涡旋电磁波的方法[18]。同年Thidé团队还利用数字技术对本地瞬时电磁场矢量进行了相干采样并对其进行了数字处理[19]。2010年,他们在乌普萨拉大学实验室产生了第一个2.4 GHz涡旋电磁波[20],这为外场实验奠定了良好的基础。八振子天线阵产生涡旋电磁波束仿真方向图如图5所示。

2.2 首个外场实验引发的争论

2011年在水城威尼斯,圣乔治岛灯塔与总督宫露台见证了世界上第一次2.414 GHz涡旋电磁波通信实验[2,7],这442 m的距离或许将成为无线通信一个重要的里程碑,实验全景如图6所示。Fabrizio Tamburini和Bo Thidé的团队利用增益为16.5 dBi的八木天线发送传统平面电磁波,用经改造的增益为26 dBi的商用抛物面天线发射OAM电磁波。

图5 八振子天线阵产生涡旋电磁波束仿真方向图Fig.5 Simulation of vortex electromagnetic beam generated by eight dipole antenna arrays

图6 圣乔治岛电磁涡旋无线通信实验Fig.6 Experiment of electromagnetic vortex wirelesscommunication in San Marco

该实验证明了相同频率下不同模态的涡旋电磁波是可分辨的。由于OAM是电磁场的基本物理量,将其应用于无线通信领域将带来新的自由度提升,即在相同频点增加了相互独立且正交的信道,相当于将频率从一维的频率轴扩展成二维的频率面。

尽管电磁涡旋的外场实验获得了巨大成功,但针对本次实验引发了一场关于涡旋电磁波本质的激烈争论,争论的焦点在于涡旋电磁波与多输入多输出(multi input multi output,MIMO)的本质区别及涡旋电磁波是否确实带来通信领域的一场变革:

(1) 2012年2月,Ove Edfors和Anders J. Johansson首先发文质疑涡旋电磁波通信[21]。他们在文中指出,涡旋电磁波通信是MIMO的一个子集,因此并没有真正地提供额外的系统容量。

(2) 2012年3月,Tamagnone等人同在New Journal of Physics上发文直接质疑Tamburini此前发表的文章[22]。他们表示涡旋电磁波通信可以视作MIMO通信的一种特殊的实现形式。

(3) 2012年4月,Tamburini对Tamagnone的文章作出回应[23],文中表明他们的工作是为无线通信系统的物理层提供一项基于电磁旋转的全新自由度,而这项技术可以与MIMO技术进一步融合。Tamburini还证明了涡旋电磁波的空间衰减是与r-2成正比,不然涡旋电磁实现不了远距离通信。

(4) 2013年2月,Tamagnone等人[24]和L.B. Kish等人[25]分别发文回击Tamburini。文中直指Tamburini没有正面回应他们的质疑,并且电磁波的空间衰减与距离r的关系为r-2(|l|+1)。因此传统电磁波对应于l=0,其空间衰减与r-2成正比;实验中所采用的l=1的涡旋电磁波,其空间衰减是与r-4成正比。

(5) 2014年3月,Bo Thidé对science 2.0论坛上关于涡旋电磁波的讨论应邀作出回应[26],他表示MIMO系统收发端均需要多个天线,涡旋电磁波在收发端可以使用单天线以提高频谱容量,虽然可以采用多天线进行收发OAM,但这并不是必须的。

(6) 2015年3月,Mauritz Andersson, Eilert Berglind和Gunnar Björk[27]根据Weyl定理,得出携带OAM的电磁波与未携带OAM的电磁波相比并不能增加信道容量的结论。此外,他们还提出多模态的OAM通信系统由于串话严重且信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)过低,不适合于广播通信。

Bo Thidé等人认为,涡旋电磁波采用的是OAM这一物理量以增加无线通信系统物理层的自由度。但这一论点显然并没有说服众人,关于涡旋电磁波的争论还没有结束,涡旋电磁波到底是一场通信革命亦或是空间分集的一种创新实现还有待进一步深入研究。

3 电磁涡旋通信发展现状

尽管关于涡旋电磁波的争论在学术界仍未停止,但随着近期越来越多国内外专家、学者的不断深入研究,电磁涡旋在无线通信领域有了较快的发展。

3.1 涡旋电磁波的产生

涡旋电磁波的产生目前主要包括3类方法——透射方法、反射方法及阵列天线方法。这些方法从不同的角度使得传统平面波携带了螺旋形的相位波前,从而产生涡旋电磁波。

3.1.1 透射法

在无线电领域,产生携带OAM的涡旋电磁波最早采用的是螺旋相位板(piral phase plate,SPP),该方法来源于光学领域。SPP整体呈螺旋形状,其厚度随着方位角φ的改变而增加。也就是说,当平面电磁波入射SPP后,这种空间螺旋结构可以使电磁波携带螺旋相位因子eilφ。设波长为λ,模态值为l,n为SPP的折射率,则SPP的阶梯高度Δh为

Δh=lλ/(n-1)

(3)

SPP产生OAM波束示意图如图7所示。

图7 SPP产生OAM波束示意图Fig.7 Diagram of OAM beam produced by SPP

利用3D打印技术制造出的SPP天线已经在0.3 THz和0.1 THz频点上实现了OAM电磁波的产生[28-29]。Chen等人[30]和Uchida等人[31]还分别采用石墨薄透镜和感应耦合等离子刻蚀技术(inductively coupled plasma etching, ICPE)制造了可产生OAM毫米波的SPP。近期又提出了一种平面结构的SPP[32],它能在使用单根天线条件下产生多模态的涡旋电磁波。产生OAM的平面结构SPP如图8所示。

图8 产生OAM的平面结构SPPFig.8 Planar-SPP for beams with OAM

3.1.2 反射法

反射法产生涡旋电磁波的基本思想是以传统平面波为馈源,利用经过特殊设计的反射面使得反射电磁波携带OAM,从而产生涡旋电磁波。

(1) 反射抛物面天线

螺旋型反射抛物面天线是一种较早使用的OAM电磁波产生方法。首个OAM无线电通信外场实验就使用了前馈抛物面天线作为反射面[2],该天线对商用离轴抛物面天线改造成直径为80 cm具有螺旋形状的反射抛物面天线,可产生l=1的涡旋波束,其结构如图9所示。卡塞格伦天线也可以用来产生涡旋电磁波[33],将其副反射面做成螺旋形状,在不改变主反射面的情况下也产生了高增益的OAM波束。

图9 螺旋抛物面天线Fig.9 Helicoidal parabolic antenna

(2) 人工超表面

近几年,随着人工超材料研究的逐渐深入,利用超表面产生涡旋波束逐渐吸引了相关学者的关注。超表面是一种厚度小于波长的人工层状材料, 通过控制波前相位、 振幅、偏振以及传播方式,可进行电磁、光学波束的灵活调控。利用超表面的特性来生成携带OAM的电磁波是一种新颖的方法,尤其在近几年取得了许多研究进展。

反射型超表面需要对超表面单元进行相位分布设计,由馈源产生的传统平面波将射入超表面,然后超表面对入射平面波进行相位补偿,从而反射出携带不同模态的涡旋电磁波。一种反射型超表面OAM电磁波发生器[34]原理图如图10所示,该方法在5.8 GHz频点能灵活产生各种模态的OAM波束。

图10 反射超表面产生OAM的结构示意图Fig.10 Schematic diagram of OAM produced by reflective super surface

此外,文献[35]以环绕的蝴蝶结形贴片为单元,设计了一款平坦散射超表面OAM产生器,能产生隔离度较好的多模态涡旋电磁波。文献[36]在Ka波段利用圆极化Bessel波束做馈源,用超表面反射形成携带OAM的高增益波束,其辐射方向图如图11所示。

图11 全波圆极化4波束反射方向图Fig.11 Full-wave circular polarization four beam reflection pattern

3.1.3 阵列天线

阵列天线产生OAM是目前在无线电领域最为普遍的方法,各种类型的阵列天线不断被提了出来。

(1) 相控阵

相控阵天线产生OAM电磁波的基本方法是将天线等间隔的分布在圆周上,组成圆形阵列,再通过相位控制的方法,让每个天线元都携带不同的相位,相邻两个天线元的相位差δφ为

(4)

式中,N为阵元数量。N根天线绕圆一周共产生2πl的相位差,从而使得辐射出的电磁波携带螺旋形相位。

图12 圆形天线阵产OAM电磁波示意图Fig.12 Schematic diagram of OAM electromagnetic waveproduced by circular antenna array

设馈电电流采用等幅等相位差馈电,此时第n个阵元的归一化馈电电流可表示为Ic=ejlφn。此时,圆形阵列的阵因子可表示为

(5)

(6)

及第一类n阶贝塞尔函数

(7)

通过上述数学推导可以看出,对圆阵进行等幅等相位差馈电时,产生的电磁波携带了独立于其他变量的螺旋相位因子eilφ,从而生成了模态为l的涡旋电磁波。

尽管在理论上SAM与OAM是两个独立的物理量,但二者都共同影响着电磁波辐射的电场强度和相位。不同线极化和圆极化将表现出不同的相位波前分布形式。文献[37]利用特殊设计的喇叭天线为阵元,研究了不同极化形式下的涡旋电磁波的近场分布,其阵列结构和近场分布如图13～图14所示。

图13 喇叭阵列天线结构Fig.13 Geometry of the horn antenna array

图14 电场矢量图Fig.14 Vector diagram of electric field

除了采用喇叭天线外,多种其他类型的天线作为圆阵阵元而产生涡旋电磁波的方法相继被提了出来,Mohammadi利用三偶极子天线对OAM电磁无线通信进行了系统描述[38],文献[39]将8个Vivaldi天线依次连接并折叠成一个中空的圆柱体,并且只需要两个天线就可以分辨这些模态数。文献[40]设计了一种能同时产生3个OAM模态的贴片天线方案,并对各模态的正交性进行了分析。

(2) 时控阵

在相控阵天线产生OAM电磁波获得成功以后,研究人员开始研究使用时控阵 (time-switched array,TSA)天线来产生涡旋电磁波。TSA给每个天线单元馈接了一个周期性工作的射频开关。通过控制每个射频开关导通与断开的工作时序来实现等效控制单元激励幅度的大小。将时间作为控制变量,增加了设计的自由度。研究人员通过理论模拟对比了TSA天线和相控阵天线产生的OAM态,得出TSA天线在系统维护方面要优于传统相控阵天线[41],利用TSA天线产生OAM电磁波不仅增加了时间维的设计自由度,其成本还相对较低,因其只使用了简单的二进制开关。文献[42]在28 GHz频率利用8阵元的TSA天线产生了携带OAM的电磁波,并指出该方法还可应用于其他频段,其设计如图15所示。

图15 TSA设计Fig.15 Design of TSA

3.2 电磁涡旋复用技术

Stephen D. Stearns认为涡旋电磁波所具有的OAM是除介质和导向结构外产生慢光的第3种方法,这将改变人们对电磁波的认识[43]。利用OAM的特殊性质可以极大增加传输带宽,提高通信容量。

电磁涡旋复用就是其能提高通信容量的直接表现形式。该复用技术得以实现的基本原理来自不同模态OAM电磁波相位的正交性,从而在接收端可实现对不同OAM模态的识别。对于任意两个不同OAM模态(l1,l2)的涡旋电磁波,其模态正交性方程可以表示为

(8)

式中,u(ρ,φ,z)为电磁波在柱面坐标下的电场幅度;p为波束强度分布的径向波节数;(·,·)表示标量积。

早期产生携带OAM的波束通常情况下同一时间只能产生单个模态,在发射端同时产生多个模态的涡旋电磁波从而进行多通道复用通信的研究正逐渐展开。

在无线电射频领域,使用阵列天线产生涡旋电磁波时,能够灵活地通过馈电网络设计来实现多模态复用,目前主要有3种方法,下面将分别阐述。

3.2.1 同心圆阵

该方法将天线阵元分布在不同半径的圆环上,每个圆环馈不同相位差的电流从而产生不同模态的OAM电磁波,完成多模态复用。设内圈半径为r1,外圈半径为r2,且内、外圈阵列分别使用Δφ2及Δφ1进行等相位差馈电,阵列分布示意图如图16所示。文献[19]给出了内圈N=8及外圈N=16时多模态OAM复用方向图,如图17所示。

图16 同心圆阵OAM复用示意图Fig.16 Schematic diagram of concentric circular array OAM multiplexing

图17 同心圆阵多模态OAM叠加Fig.17 Multi-modal OAM superposition of concentric circular array

3.2.2 Butler矩阵

Butler矩阵通常用于多波束天线馈电网络,一个N×N的Butler矩阵可对每一路输入信号分配不同的相位差,并在N个输出端口获得多个等幅等相位差的叠加信号输出,其示意图如图18所示,文献[44]利用90°耦合器、交叉耦合器、和移相器设计了一款Butler矩阵,并作为圆形阵列的馈电网络,最终可实现8路信号的OAM复用,其设计图如图19所示。

图18 8×8 Butler矩阵示意图Fig.18 Sketch map of 8×8 Butler Matrix

图19 8×8 Butler矩阵设计图Fig.19 Designing diagram of 8×8 Butler Matrix

3.2.3 Rotman透镜

Rotman透镜进行OAM波束复用的基本原理主要是利用几何光学中的等波程原理,不同端口输入的信号可在输出端口形成不同的相位梯度。其优点是成本低,结构简单。文献[45]在9.7 GHz频率使用Rotman透镜实现了3路信号的OAM复用,其设计原理图如图20所示;文献[46]设计了双层Rotman透镜将OAM复用数量增加至5路,如图21所示。

图20 3×3Rotman透镜通信链路原理图Fig.20 Schematic diagram of the communication link with3×3 Rotman len

图21 双层Rotman透镜馈电天线阵列Fig.21 Feed antenna array of two-layer Rotman lens

除了采用特殊设计的馈电网络来实现OAM模态复用外,还可通过对天线的设计实现多模态同时产生。天线设计主要体现在材料、类型及结构上的综合选择和调整。文献[47]采用缝隙天线同时产生了两种模态的OAM无线电波。文献[48]同样采用环形缝隙天线,并加入了双层的反射面来增加波束的方向性,可同时产生4种OAM模态。文献[49]利用超表面技术,对不同超表面单元补偿不同的相移,从而在两个方向上产生了两种不同模态的OAM电磁波。文献[50]设计了一种4个双圆极化天线为阵元的OAM电磁波产生方法,该方法能同时产生两种OAM模态。文献[51]采用多层结构的均匀圆阵,以贴片天线为阵元,也同时实现了双OAM模态复用的电磁波,并达到低于-24 dB的互耦影响和-19 dB的模态隔离度,其天线结构和隔离度测量如图22及表1所示。

图22 UCA双模OAM产生架构Fig.22 Configuration of the radial UCA for the dual-modeOAM generation

文献[52]采用了蝴蝶结结构的双极化偶极子4阵元阵列,产生了双极化双模态的OAM波束,隔离度最差情况也达到-12 dB。其结构设计及原理样机如图23所示。

图23 阵列结构及原理样机示意图Fig.23 Schematic diagram of array structure and principle prototype

3.3 能量发散角研究

目前国际上常用的OAM电磁波产生方法中,普遍存在能量发散问题,即当发射端采用一定口径的天线向外辐射涡旋电磁波时,在接收完整电磁涡旋信息的前提下,由于能量发散角的存在,接收天线的规模将随着传输距离的增加而不断增大。这一问题是否能够得到有效解决将对电磁涡旋远距离通信的实现至关重要。

对于能量发散角问题的研究首先来自于Allen等人[53]对于涡旋电磁波坡印廷矢量的研究,由于涡旋波束携带了OAM,其波前相位不再是一个平面,因而坡印廷矢量也不再沿着电磁波的传输方向,而是存在一个偏移角β;随后文献[54]对这一偏移角进行了研究,并得出了该偏移角与OAM特征模态的关系表达式，即

(9)

式中,k0=2π/λ为电磁波自由空间波数。该偏移角使得波束能量产生发散;此后,文献[55]指出,尽管坡印廷矢量偏移角与能量发散角密切相关,但该参量并不能完全描述能量发散角,并给出了远场能量发散角α的表达式，即

(10)

式中,w0为束腰位置。

到目前为止,针对能量发散问题,相关学者已经提出了一些对其进行抑制的方法。

第1种方法是通过对发射天线整体结构的优化设计来实现波束能量的集中。一种利用接地板和部分反射表面(partially reflecting surface,PRS)组成的Fabry-Perot腔来反射贴片天线产生的OAM电磁波的方法[56]能有效抑制能量发散角,其结构示意图和能量发散角抑制效果如图24所示。

图24 FP腔抑制OAM能量发散角Fig.24 Divergence restrain with FP cavity

利用集成了阿基米德螺旋隔热波导的涡旋光栅可极大提升涡旋电磁波的方向性[57],从而减小能量发散角度。文献[58]设计了电磁带隙结构的圆形阵列,在10 GHz实现了4种OAM模态的产生,并实验验证了在不同模态下的3 dB带宽至少获得了6 dB的增益,实现了OAM电磁波束的汇聚。

第2种方法来源于传统的阵列天线提高天线辐射增益的方法,即通过增加阵列天线的口径来实现。对于圆形阵列来说,改变阵元的半径可得到不同程度能量发散角的减小。以八阵元螺旋天线为例,对不同阵列半径时的2D远场方向图进行了仿真,如图25所示。

图25 半径对圆阵OAM能量发散的影响Fig.25 Effect of the array radius on OAM divergence

仿真中针对模态l=1的涡旋电磁波做了不同阵列半径的远场方向图仿真,由仿真结果可以看出,随着阵列半径的增加,能量发散角得到了一定程度的抑制,这就说明了传统增加口径来获得天线方向性增加的方法同样适用于涡旋电磁波能量发散角的抑制。值得注意的是,尽管能量发散角得到了一定程度的减小,但旁瓣的能量也出现了不同程度的增加。

3.4 电磁涡旋接收技术

3.4.1 相位梯度法

携带轨道角动量的涡旋电磁波的一个明显特点是其具有螺旋形的波前相位,因而可以利用不同接收位置的相位差分析来进行不同模态的OAM识别[59],这就是相位梯度法的基本原理。其原理图如图26所示[60]。

图26 相位梯度法原理图Fig.26 Schematic of phase gradient method

(11)

该方法能尽管在一定程度降低了接收端的复杂度,但对于较大的OAM模态,该方法仍存在一定的误差。

3.4.2 傅里叶变换域方法

基于傅里叶变换域的方法是通过对携带OAM的波束在角动量域做傅里叶变换从而进行模态数识别的方法。

在光学领域通常用于提取OAM模态的成分信息。一种检测方法是利用接收到OAM光束自身进行干涉[61],先将光束分成两路再合并,其中一路进行一定的相位延迟,然后对其在相位上进行积分,再进行FFT,这样便可在角动量域上分析出其模态成分。

傅里叶变换域法也可应用于无线电领域,一种基于空间正交变换的多模态涡旋电磁波信号模态并行分离的方法[62]被提了出来。该方法将接收阵列天线的信号并行输出,经过去波束赋形处理,再进行空间正交傅里叶变换(即关于涡旋电磁波方位角的FFT),最后并行输出涡旋电磁波的模态离散谱分量,输出分量为已去模态的调制信号,从而完成涡旋电磁波的模态分离和识别过程。

3.4.3 部分接收法

部分接收法在接收端选取圆的1/P作为接收圆弧,再利用M个接收天线均匀分布在这段圆弧上进行M点信号采样[61],如图27所示。

图27 部分采样接收示意图Fig.27 Schematic of partial aperture sampling receiving

该方法能正确区分不同模态正交性的需要满足两个条件:

条件1|ln1-ln2|, modP=0;

条件2|ln1-ln2|, modMP≠0。

部分接收采样法尽管对OAM模态复用存在一定的限制,但该方法使得接收端不再需要接收完整的相位信息,大大简化了接收端的规模。

此外,还可以通过将接收天线阵列设计成与发射天线阵列分布相同,相位共轭的方法来完成对OAM模态值的检测,从而完成解复用。但对于传统的未经能量发散角抑制的OAM电磁波,要想接收到足够的涡旋电磁波能量以保证不同模态之间的正交性,接收阵列天线的口径将随着距离的增加而不断增大,考虑到受限的阵列尺寸,目前该方法暂不适用于远距离信号传输[61]。

4 电磁涡旋的传播特性

4.1 大气湍流

大气湍流的影响主要来自于大气中随时间、空间不断变化的温度、湿度、压强、风速等因素,这些因素不断的进行随机的运动,对涡旋电磁波的能量、相位分布及模态正交性造成了较大的破坏,从而影响整个涡旋通信系统的通信质量。大气湍流对通信链路影响原理图如图28所示。

图28 大气湍流对通信链路影响原理图Fig.28 Schematic of influence of atmospheric turbulence oncommunication link

Kolmogorov模型是研究大气湍流的一种常用模型,文献[63-64]研究了基于Kolmogorov模型的大气湍流对于自由空间光通信OAM正交性、光束强度以及相位分布的影响。得出了弱大气湍流下连续OAM可进行短距离通信和中等大气湍流下OAM模态间隔至少为3时才能保证信号的可靠提取的结论。

而对于使用范围更广的non-Kolmogorov模型,文献[65]利用多相位分屏模拟了LG波束在大气湍流中的传输,表明大气湍流会导致LG波束的螺旋谱弥散,且该值与拓扑荷、波长、指数参数、折射率结构参数、内外尺度密切相关。文献[66]研究了non-Kolmogorov大气湍流对携带OAM的Hankel Bessel Schell (HBS)波束的影响,结果表明随着传输距离和折射率的增加,HBS波束OAM态的检测概率将会降低。

4.2 水下通信

涡旋电磁波通信在水下环境也面临着巨大挑战。一方面,海水环境对电磁波存在诸多的随机影响因素(如吸收、多径效应、多普勒效应、随机起伏、海水浑浊度等)。另一方面,海水较强的趋肤效应将严重影响涡旋电磁波的传输。

在水下无线通信中,利用蓝绿光对海水较强的穿透能力能有效解决水下的信号衰减问题[67]。文献[68]研究了水介质在波束衰减和色散方面对是否携带OAM绿光波束的情况进行了对比,并指明水流会轻微引起OAM波束的畸变,而温度引起的水湍流会导致较大的信号衰减。温度梯度严重干扰OAM模态的隔离度,较大的温度梯度会引起严重的OAM电磁波模态畸变和波束扩展。文献[69]研究了“水——空气——水”通信链路的情况,指出水面高度的变化对接收OAM波束的性能会产生较大影响,并提出了一种反馈校正的机制能有效降低这一影响。

5 结束语

凭借着Thidé和Tamburini的努力,OAM最终被引入无线通信领域,该技术的持续发展将对现今拥挤频谱资源的充分利用具有重大意义。本文主要在以下几方面进行了详细论述:

(1) 描述了电磁涡旋的基本原理,给出了角动量的分类,阐明了角动量、自旋角动量和OAM的关系。

(2) 阐述了电磁涡旋技术的发展历史,介绍了电磁涡旋技术的早期发展,对首次外场实验引发的关于电磁涡旋技术的争论进行了总结。

(3) 从涡旋电磁波的产生、模态复用、能量发散角研究、接收技术及传播特性5个方面对电磁涡旋技术的现状进行了总结和分析。

电磁涡旋通信技术为传统通信提供了一个全新的自由度,能大幅提升现有通信系统的通信容量,对未来无线通信产生重大影响。我国自然基金委从2013年开始支持关于电磁涡旋通信的研究,国内多家高校及研究所均在电磁涡旋领域不断探索,在雷达、通信、量子等诸多领域取得了许多研究进展。在无线电领域,认为电磁涡旋的未来研究趋势主要集中在以下几个方面:

(1) 能量发散角进一步抑制或消除。尽管针对能量发散抑制目前已经提出了一些方法,然而远远不能满足远距离信息传输的需求,较大幅度的抑制甚至消除能量发散角才是真正解决涡旋电磁实现远距离通信并走向实用化的现实问题。

(2) OAM检测及解复用。目前对于OAM模态的检测大多集中于单个模态的分析,对于多模态复用的涡旋电磁波,尤其在接收天线数量有限前提下,如何能正确检测其模态数,从而有效提高模态隔离度,也是一个需要重点解决的问题。

(3) 涡旋电磁波与MIMO的关系。关于涡旋电磁波与MIMO的关系至今仍然是国际上争论的焦点问题。涡旋电磁波与MIMO技术二者谁是谁的子集,亦或是二者完全独立,还是存在较多交集,至今还未有全面清晰的解答,仍需国内外相关专家进行深入研究。

尽管电磁涡旋通信技术目前还存在较多争议,研究也仅处在理论研究和实验室验证阶段,离实用化还存在一定距离,但随着近几年国内外研究者对该领域的持续努力,我们相信在不久的将来,电磁涡旋技术的发展将会越来越清晰。