常 青, 林 川, 李顯旭

(北京航空航天大學電子與信息工程學院, 北京 100191)

0 引 言

隨著當今無線通信技術的迅猛發(fā)展,信息化已成為當今時代的主流。軍事戰(zhàn)場復雜的多系統(tǒng)融合、龐大的通信網(wǎng)及信息的實時傳輸都對現(xiàn)有系統(tǒng)的通信容量提出了前所未有的挑戰(zhàn)。然而,傳統(tǒng)提高頻譜利用率的方法——極化復用、時分復用、頻分復用、碼分復用等技術日趨成熟,頻譜資源已不堪重負,如何進一步提高頻譜利用率一直是無線通信領域研究的熱點問題。

電磁渦旋技術是一種利用粒子的軌道角動量特性來進行高效信息傳輸?shù)男滦蜔o線通信技術。自首次外場試驗成功以來[1],電磁渦旋技術引起了國內外相關領域專家的高度關注。該技術從粒子層面出發(fā),把量子力學中的軌道角動量理論應用于無線通信領域,使得擁有不同軌道角動量模態(tài)的電磁波能夠在同頻、同極化的條件下進行復用,有效提升通信系統(tǒng)的頻譜效率[2],為無線通信超譜調制提供了一種全新的實現(xiàn)方案。

1 電磁渦旋基本原理

關于粒子軌道角動量的研究首先在光學領域展開并取得了一系列研究成果。直到近十幾年,人們才將目光陸續(xù)轉向無線電領域。根據(jù)“光也是一種電磁波”的結論,人們希望軌道角動量在光學領域取得的成功能應用于無線電通信。

依據(jù)電動力學基本理論,電磁場不僅攜帶線性動量,還攜帶角動量。角動量可以進一步分為與極化相關的內在旋轉和外在旋轉[3]。極化是量子力學粒子旋轉的經(jīng)典表現(xiàn)。因此,這種內在的與極化相關的旋轉被稱為自旋角動量(spin angular momentum,SAM)。SAM與電磁波的偏振結構有關,其宏觀表現(xiàn)為2種正交的極化形式,如左旋圓極化和右旋圓極化。

圖1 SAM與極化Fig.1 SAM and polarization

粒子的外在旋轉稱為軌道角動量(orbital angular momentum,OAM),該參量與波陣面有關。攜帶OAM的波束呈現(xiàn)出螺旋形波陣面,其坡印廷矢量不再與傳輸方向平行,而是出現(xiàn)一個夾角。理論上這種軌道角動量存在無窮多個模態(tài),模態(tài)間的正交性可提升通信容量。用l表示模態(tài)值,可取任意整數(shù),如圖2所示。

圖2 螺旋相位 Fig.2 Spiral phases

也就是說,電磁場的總角動量J由與位矢r無關的自旋角動量S及與位矢r有關的軌道角動量L組成,即

ε0r×(E×B)=L+S

(1)

其中

(2)

式中,ε0≈8.854 187 817×10-12F/m為真空介電常數(shù);E為電場強度;B為磁感應強度。

2 電磁渦旋通信的發(fā)展歷史

2.1 電磁渦旋的早期發(fā)展

長久以來,人們對于角動量這一物理量的研究大多集中于SAM上。早在1909年,Poynting就從理論上預測了電磁場SAM的力學效應[4],并提出了在光波束從線偏振到圓偏振的轉換中,伴隨著角動量的交換。1936年,Beth[5]將偏振光束照射在石英光纖波盤上,引發(fā)了波盤的旋轉,從實驗上驗證了SAM的致旋效應。

圖3 角動量力學效應Fig.3 Mechanics effects of angular momentum

盡管早在19世紀50年代人們就已經(jīng)意識到獨立于SAM的OAM,但直到1992年Allen才指出軌道角動量其實是螺旋相位光束的自然屬性,并在拉蓋爾-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)光速上給出了OAM的定義[6]。至此,關于OAM的深入研究才大量展開,并延伸至多個領域,包括:雷達[7-8]、納米技術[9]、量子實驗[10]、天文[11-14]、太陽系外行星的探測[15]和Kerr黑洞檢測[16]等。

圖4 Kerr黑洞檢測Fig.4 Detection of Kerr black hole

2004年,第一個基于OAM的自由空間光通信實驗由Gibson等人完成[17]。隨后,Bo Thidé的博士生Johan Sj?holm和Kristoffer Palmer在他們的博士論文中對OAM的電磁輻射特性進行了分析,并研究了向量天線陣列產(chǎn)生渦旋電磁波的方法[18]。同年Thidé團隊還利用數(shù)字技術對本地瞬時電磁場矢量進行了相干采樣并對其進行了數(shù)字處理[19]。2010年,他們在烏普薩拉大學實驗室產(chǎn)生了第一個2.4 GHz渦旋電磁波[20],這為外場實驗奠定了良好的基礎。八振子天線陣產(chǎn)生渦旋電磁波束仿真方向圖如圖5所示。

2.2 首個外場實驗引發(fā)的爭論

2011年在水城威尼斯,圣喬治島燈塔與總督宮露臺見證了世界上第一次2.414 GHz渦旋電磁波通信實驗[2,7],這442 m的距離或許將成為無線通信一個重要的里程碑,實驗全景如圖6所示。Fabrizio Tamburini和Bo Thidé的團隊利用增益為16.5 dBi的八木天線發(fā)送傳統(tǒng)平面電磁波,用經(jīng)改造的增益為26 dBi的商用拋物面天線發(fā)射OAM電磁波。

圖5 八振子天線陣產(chǎn)生渦旋電磁波束仿真方向圖Fig.5 Simulation of vortex electromagnetic beam generated by eight dipole antenna arrays

圖6 圣喬治島電磁渦旋無線通信實驗Fig.6 Experiment of electromagnetic vortex wirelesscommunication in San Marco

該實驗證明了相同頻率下不同模態(tài)的渦旋電磁波是可分辨的。由于OAM是電磁場的基本物理量,將其應用于無線通信領域將帶來新的自由度提升,即在相同頻點增加了相互獨立且正交的信道,相當于將頻率從一維的頻率軸擴展成二維的頻率面。

盡管電磁渦旋的外場實驗獲得了巨大成功,但針對本次實驗引發(fā)了一場關于渦旋電磁波本質的激烈爭論,爭論的焦點在于渦旋電磁波與多輸入多輸出(multi input multi output,MIMO)的本質區(qū)別及渦旋電磁波是否確實帶來通信領域的一場變革:

(1) 2012年2月,Ove Edfors和Anders J. Johansson首先發(fā)文質疑渦旋電磁波通信[21]。他們在文中指出,渦旋電磁波通信是MIMO的一個子集,因此并沒有真正地提供額外的系統(tǒng)容量。

(2) 2012年3月,Tamagnone等人同在New Journal of Physics上發(fā)文直接質疑Tamburini此前發(fā)表的文章[22]。他們表示渦旋電磁波通信可以視作MIMO通信的一種特殊的實現(xiàn)形式。

(3) 2012年4月,Tamburini對Tamagnone的文章作出回應[23],文中表明他們的工作是為無線通信系統(tǒng)的物理層提供一項基于電磁旋轉的全新自由度,而這項技術可以與MIMO技術進一步融合。Tamburini還證明了渦旋電磁波的空間衰減是與r-2成正比,不然渦旋電磁實現(xiàn)不了遠距離通信。

(4) 2013年2月,Tamagnone等人[24]和L.B. Kish等人[25]分別發(fā)文回擊Tamburini。文中直指Tamburini沒有正面回應他們的質疑,并且電磁波的空間衰減與距離r的關系為r-2(|l|+1)。因此傳統(tǒng)電磁波對應于l=0,其空間衰減與r-2成正比;實驗中所采用的l=1的渦旋電磁波,其空間衰減是與r-4成正比。

(5) 2014年3月,Bo Thidé對science 2.0論壇上關于渦旋電磁波的討論應邀作出回應[26],他表示MIMO系統(tǒng)收發(fā)端均需要多個天線,渦旋電磁波在收發(fā)端可以使用單天線以提高頻譜容量,雖然可以采用多天線進行收發(fā)OAM,但這并不是必須的。

(6) 2015年3月,Mauritz Andersson, Eilert Berglind和Gunnar Bj?rk[27]根據(jù)Weyl定理,得出攜帶OAM的電磁波與未攜帶OAM的電磁波相比并不能增加信道容量的結論。此外,他們還提出多模態(tài)的OAM通信系統(tǒng)由于串話嚴重且信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)過低,不適合于廣播通信。

Bo Thidé等人認為,渦旋電磁波采用的是OAM這一物理量以增加無線通信系統(tǒng)物理層的自由度。但這一論點顯然并沒有說服眾人,關于渦旋電磁波的爭論還沒有結束,渦旋電磁波到底是一場通信革命亦或是空間分集的一種創(chuàng)新實現(xiàn)還有待進一步深入研究。

3 電磁渦旋通信發(fā)展現(xiàn)狀

盡管關于渦旋電磁波的爭論在學術界仍未停止,但隨著近期越來越多國內外專家、學者的不斷深入研究,電磁渦旋在無線通信領域有了較快的發(fā)展。

3.1 渦旋電磁波的產(chǎn)生

渦旋電磁波的產(chǎn)生目前主要包括3類方法——透射方法、反射方法及陣列天線方法。這些方法從不同的角度使得傳統(tǒng)平面波攜帶了螺旋形的相位波前,從而產(chǎn)生渦旋電磁波。

3.1.1 透射法

在無線電領域,產(chǎn)生攜帶OAM的渦旋電磁波最早采用的是螺旋相位板(piral phase plate,SPP),該方法來源于光學領域。SPP整體呈螺旋形狀,其厚度隨著方位角φ的改變而增加。也就是說,當平面電磁波入射SPP后,這種空間螺旋結構可以使電磁波攜帶螺旋相位因子eilφ。設波長為λ,模態(tài)值為l,n為SPP的折射率,則SPP的階梯高度Δh為

Δh=lλ/(n-1)

(3)

SPP產(chǎn)生OAM波束示意圖如圖7所示。

圖7 SPP產(chǎn)生OAM波束示意圖Fig.7 Diagram of OAM beam produced by SPP

利用3D打印技術制造出的SPP天線已經(jīng)在0.3 THz和0.1 THz頻點上實現(xiàn)了OAM電磁波的產(chǎn)生[28-29]。Chen等人[30]和Uchida等人[31]還分別采用石墨薄透鏡和感應耦合等離子刻蝕技術(inductively coupled plasma etching, ICPE)制造了可產(chǎn)生OAM毫米波的SPP。近期又提出了一種平面結構的SPP[32],它能在使用單根天線條件下產(chǎn)生多模態(tài)的渦旋電磁波。產(chǎn)生OAM的平面結構SPP如圖8所示。

圖8 產(chǎn)生OAM的平面結構SPPFig.8 Planar-SPP for beams with OAM

3.1.2 反射法

反射法產(chǎn)生渦旋電磁波的基本思想是以傳統(tǒng)平面波為饋源,利用經(jīng)過特殊設計的反射面使得反射電磁波攜帶OAM,從而產(chǎn)生渦旋電磁波。

(1) 反射拋物面天線

螺旋型反射拋物面天線是一種較早使用的OAM電磁波產(chǎn)生方法。首個OAM無線電通信外場實驗就使用了前饋拋物面天線作為反射面[2],該天線對商用離軸拋物面天線改造成直徑為80 cm具有螺旋形狀的反射拋物面天線,可產(chǎn)生l=1的渦旋波束,其結構如圖9所示?？ㄈ駛愄炀€也可以用來產(chǎn)生渦旋電磁波[33],將其副反射面做成螺旋形狀,在不改變主反射面的情況下也產(chǎn)生了高增益的OAM波束。

圖9 螺旋拋物面天線Fig.9 Helicoidal parabolic antenna

(2) 人工超表面

近幾年,隨著人工超材料研究的逐漸深入,利用超表面產(chǎn)生渦旋波束逐漸吸引了相關學者的關注。超表面是一種厚度小于波長的人工層狀材料, 通過控制波前相位、 振幅、偏振以及傳播方式,可進行電磁、光學波束的靈活調控。利用超表面的特性來生成攜帶OAM的電磁波是一種新穎的方法,尤其在近幾年取得了許多研究進展。

反射型超表面需要對超表面單元進行相位分布設計,由饋源產(chǎn)生的傳統(tǒng)平面波將射入超表面,然后超表面對入射平面波進行相位補償,從而反射出攜帶不同模態(tài)的渦旋電磁波。一種反射型超表面OAM電磁波發(fā)生器[34]原理圖如圖10所示,該方法在5.8 GHz頻點能靈活產(chǎn)生各種模態(tài)的OAM波束。

圖10 反射超表面產(chǎn)生OAM的結構示意圖Fig.10 Schematic diagram of OAM produced by reflective super surface

此外,文獻[35]以環(huán)繞的蝴蝶結形貼片為單元,設計了一款平坦散射超表面OAM產(chǎn)生器,能產(chǎn)生隔離度較好的多模態(tài)渦旋電磁波。文獻[36]在Ka波段利用圓極化Bessel波束做饋源,用超表面反射形成攜帶OAM的高增益波束,其輻射方向圖如圖11所示。

圖11 全波圓極化4波束反射方向圖Fig.11 Full-wave circular polarization four beam reflection pattern

3.1.3 陣列天線

陣列天線產(chǎn)生OAM是目前在無線電領域最為普遍的方法,各種類型的陣列天線不斷被提了出來。

(1) 相控陣

相控陣天線產(chǎn)生OAM電磁波的基本方法是將天線等間隔的分布在圓周上,組成圓形陣列,再通過相位控制的方法,讓每個天線元都攜帶不同的相位,相鄰兩個天線元的相位差δφ為

(4)

式中,N為陣元數(shù)量。N根天線繞圓一周共產(chǎn)生2πl(wèi)的相位差,從而使得輻射出的電磁波攜帶螺旋形相位。

圖12 圓形天線陣產(chǎn)OAM電磁波示意圖Fig.12 Schematic diagram of OAM electromagnetic waveproduced by circular antenna array

設饋電電流采用等幅等相位差饋電,此時第n個陣元的歸一化饋電電流可表示為Ic=ejlφn。此時,圓形陣列的陣因子可表示為

(5)

(6)

及第一類n階貝塞爾函數(shù)

(7)

通過上述數(shù)學推導可以看出,對圓陣進行等幅等相位差饋電時,產(chǎn)生的電磁波攜帶了獨立于其他變量的螺旋相位因子eilφ,從而生成了模態(tài)為l的渦旋電磁波。

盡管在理論上SAM與OAM是兩個獨立的物理量,但二者都共同影響著電磁波輻射的電場強度和相位。不同線極化和圓極化將表現(xiàn)出不同的相位波前分布形式。文獻[37]利用特殊設計的喇叭天線為陣元,研究了不同極化形式下的渦旋電磁波的近場分布,其陣列結構和近場分布如圖13～圖14所示。

圖13 喇叭陣列天線結構Fig.13 Geometry of the horn antenna array

圖14 電場矢量圖Fig.14 Vector diagram of electric field

除了采用喇叭天線外,多種其他類型的天線作為圓陣陣元而產(chǎn)生渦旋電磁波的方法相繼被提了出來,Mohammadi利用三偶極子天線對OAM電磁無線通信進行了系統(tǒng)描述[38],文獻[39]將8個Vivaldi天線依次連接并折疊成一個中空的圓柱體,并且只需要兩個天線就可以分辨這些模態(tài)數(shù)。文獻[40]設計了一種能同時產(chǎn)生3個OAM模態(tài)的貼片天線方案,并對各模態(tài)的正交性進行了分析。

(2) 時控陣

在相控陣天線產(chǎn)生OAM電磁波獲得成功以后,研究人員開始研究使用時控陣 (time-switched array,TSA)天線來產(chǎn)生渦旋電磁波。TSA給每個天線單元饋接了一個周期性工作的射頻開關。通過控制每個射頻開關導通與斷開的工作時序來實現(xiàn)等效控制單元激勵幅度的大小。將時間作為控制變量,增加了設計的自由度。研究人員通過理論模擬對比了TSA天線和相控陣天線產(chǎn)生的OAM態(tài),得出TSA天線在系統(tǒng)維護方面要優(yōu)于傳統(tǒng)相控陣天線[41],利用TSA天線產(chǎn)生OAM電磁波不僅增加了時間維的設計自由度,其成本還相對較低,因其只使用了簡單的二進制開關。文獻[42]在28 GHz頻率利用8陣元的TSA天線產(chǎn)生了攜帶OAM的電磁波,并指出該方法還可應用于其他頻段,其設計如圖15所示。

圖15 TSA設計Fig.15 Design of TSA

3.2 電磁渦旋復用技術

Stephen D. Stearns認為渦旋電磁波所具有的OAM是除介質和導向結構外產(chǎn)生慢光的第3種方法,這將改變人們對電磁波的認識[43]。利用OAM的特殊性質可以極大增加傳輸帶寬,提高通信容量。

電磁渦旋復用就是其能提高通信容量的直接表現(xiàn)形式。該復用技術得以實現(xiàn)的基本原理來自不同模態(tài)OAM電磁波相位的正交性,從而在接收端可實現(xiàn)對不同OAM模態(tài)的識別。對于任意兩個不同OAM模態(tài)(l1,l2)的渦旋電磁波,其模態(tài)正交性方程可以表示為

(8)

式中,u(ρ,φ,z)為電磁波在柱面坐標下的電場幅度;p為波束強度分布的徑向波節(jié)數(shù);(·,·)表示標量積。

早期產(chǎn)生攜帶OAM的波束通常情況下同一時間只能產(chǎn)生單個模態(tài),在發(fā)射端同時產(chǎn)生多個模態(tài)的渦旋電磁波從而進行多通道復用通信的研究正逐漸展開。

在無線電射頻領域,使用陣列天線產(chǎn)生渦旋電磁波時,能夠靈活地通過饋電網(wǎng)絡設計來實現(xiàn)多模態(tài)復用,目前主要有3種方法,下面將分別闡述。

3.2.1 同心圓陣

該方法將天線陣元分布在不同半徑的圓環(huán)上,每個圓環(huán)饋不同相位差的電流從而產(chǎn)生不同模態(tài)的OAM電磁波,完成多模態(tài)復用。設內圈半徑為r1,外圈半徑為r2,且內、外圈陣列分別使用Δφ2及Δφ1進行等相位差饋電,陣列分布示意圖如圖16所示。文獻[19]給出了內圈N=8及外圈N=16時多模態(tài)OAM復用方向圖,如圖17所示。

圖16 同心圓陣OAM復用示意圖Fig.16 Schematic diagram of concentric circular array OAM multiplexing

圖17 同心圓陣多模態(tài)OAM疊加Fig.17 Multi-modal OAM superposition of concentric circular array

3.2.2 Butler矩陣

Butler矩陣通常用于多波束天線饋電網(wǎng)絡,一個N×N的Butler矩陣可對每一路輸入信號分配不同的相位差,并在N個輸出端口獲得多個等幅等相位差的疊加信號輸出,其示意圖如圖18所示,文獻[44]利用90°耦合器、交叉耦合器、和移相器設計了一款Butler矩陣,并作為圓形陣列的饋電網(wǎng)絡,最終可實現(xiàn)8路信號的OAM復用,其設計圖如圖19所示。

圖18 8×8 Butler矩陣示意圖Fig.18 Sketch map of 8×8 Butler Matrix

圖19 8×8 Butler矩陣設計圖Fig.19 Designing diagram of 8×8 Butler Matrix

3.2.3 Rotman透鏡

Rotman透鏡進行OAM波束復用的基本原理主要是利用幾何光學中的等波程原理,不同端口輸入的信號可在輸出端口形成不同的相位梯度。其優(yōu)點是成本低,結構簡單。文獻[45]在9.7 GHz頻率使用Rotman透鏡實現(xiàn)了3路信號的OAM復用,其設計原理圖如圖20所示;文獻[46]設計了雙層Rotman透鏡將OAM復用數(shù)量增加至5路,如圖21所示。

圖20 3×3Rotman透鏡通信鏈路原理圖Fig.20 Schematic diagram of the communication link with3×3 Rotman len

圖21 雙層Rotman透鏡饋電天線陣列Fig.21 Feed antenna array of two-layer Rotman lens

除了采用特殊設計的饋電網(wǎng)絡來實現(xiàn)OAM模態(tài)復用外,還可通過對天線的設計實現(xiàn)多模態(tài)同時產(chǎn)生。天線設計主要體現(xiàn)在材料、類型及結構上的綜合選擇和調整。文獻[47]采用縫隙天線同時產(chǎn)生了兩種模態(tài)的OAM無線電波。文獻[48]同樣采用環(huán)形縫隙天線,并加入了雙層的反射面來增加波束的方向性,可同時產(chǎn)生4種OAM模態(tài)。文獻[49]利用超表面技術,對不同超表面單元補償不同的相移,從而在兩個方向上產(chǎn)生了兩種不同模態(tài)的OAM電磁波。文獻[50]設計了一種4個雙圓極化天線為陣元的OAM電磁波產(chǎn)生方法,該方法能同時產(chǎn)生兩種OAM模態(tài)。文獻[51]采用多層結構的均勻圓陣,以貼片天線為陣元,也同時實現(xiàn)了雙OAM模態(tài)復用的電磁波,并達到低于-24 dB的互耦影響和-19 dB的模態(tài)隔離度,其天線結構和隔離度測量如圖22及表1所示。

圖22 UCA雙模OAM產(chǎn)生架構Fig.22 Configuration of the radial UCA for the dual-modeOAM generation

文獻[52]采用了蝴蝶結結構的雙極化偶極子4陣元陣列,產(chǎn)生了雙極化雙模態(tài)的OAM波束,隔離度最差情況也達到-12 dB。其結構設計及原理樣機如圖23所示。

圖23 陣列結構及原理樣機示意圖Fig.23 Schematic diagram of array structure and principle prototype

3.3 能量發(fā)散角研究

目前國際上常用的OAM電磁波產(chǎn)生方法中,普遍存在能量發(fā)散問題,即當發(fā)射端采用一定口徑的天線向外輻射渦旋電磁波時,在接收完整電磁渦旋信息的前提下,由于能量發(fā)散角的存在,接收天線的規(guī)模將隨著傳輸距離的增加而不斷增大。這一問題是否能夠得到有效解決將對電磁渦旋遠距離通信的實現(xiàn)至關重要。

對于能量發(fā)散角問題的研究首先來自于Allen等人[53]對于渦旋電磁波坡印廷矢量的研究,由于渦旋波束攜帶了OAM,其波前相位不再是一個平面,因而坡印廷矢量也不再沿著電磁波的傳輸方向,而是存在一個偏移角β;隨后文獻[54]對這一偏移角進行了研究,并得出了該偏移角與OAM特征模態(tài)的關系表達式，即

(9)

式中,k0=2π/λ為電磁波自由空間波數(shù)。該偏移角使得波束能量產(chǎn)生發(fā)散;此后,文獻[55]指出,盡管坡印廷矢量偏移角與能量發(fā)散角密切相關,但該參量并不能完全描述能量發(fā)散角,并給出了遠場能量發(fā)散角α的表達式，即

(10)

式中,w0為束腰位置。

到目前為止,針對能量發(fā)散問題,相關學者已經(jīng)提出了一些對其進行抑制的方法。

第1種方法是通過對發(fā)射天線整體結構的優(yōu)化設計來實現(xiàn)波束能量的集中。一種利用接地板和部分反射表面(partially reflecting surface,PRS)組成的Fabry-Perot腔來反射貼片天線產(chǎn)生的OAM電磁波的方法[56]能有效抑制能量發(fā)散角,其結構示意圖和能量發(fā)散角抑制效果如圖24所示。

圖24 FP腔抑制OAM能量發(fā)散角Fig.24 Divergence restrain with FP cavity

利用集成了阿基米德螺旋隔熱波導的渦旋光柵可極大提升渦旋電磁波的方向性[57],從而減小能量發(fā)散角度。文獻[58]設計了電磁帶隙結構的圓形陣列,在10 GHz實現(xiàn)了4種OAM模態(tài)的產(chǎn)生,并實驗驗證了在不同模態(tài)下的3 dB帶寬至少獲得了6 dB的增益,實現(xiàn)了OAM電磁波束的匯聚。

第2種方法來源于傳統(tǒng)的陣列天線提高天線輻射增益的方法,即通過增加陣列天線的口徑來實現(xiàn)。對于圓形陣列來說,改變陣元的半徑可得到不同程度能量發(fā)散角的減小。以八陣元螺旋天線為例,對不同陣列半徑時的2D遠場方向圖進行了仿真,如圖25所示。

圖25 半徑對圓陣OAM能量發(fā)散的影響Fig.25 Effect of the array radius on OAM divergence

仿真中針對模態(tài)l=1的渦旋電磁波做了不同陣列半徑的遠場方向圖仿真,由仿真結果可以看出,隨著陣列半徑的增加,能量發(fā)散角得到了一定程度的抑制,這就說明了傳統(tǒng)增加口徑來獲得天線方向性增加的方法同樣適用于渦旋電磁波能量發(fā)散角的抑制。值得注意的是,盡管能量發(fā)散角得到了一定程度的減小,但旁瓣的能量也出現(xiàn)了不同程度的增加。

3.4 電磁渦旋接收技術

3.4.1 相位梯度法

攜帶軌道角動量的渦旋電磁波的一個明顯特點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來進行不同模態(tài)的OAM識別[59],這就是相位梯度法的基本原理。其原理圖如圖26所示[60]。

圖26 相位梯度法原理圖Fig.26 Schematic of phase gradient method

(11)

該方法能盡管在一定程度降低了接收端的復雜度,但對于較大的OAM模態(tài),該方法仍存在一定的誤差。

3.4.2 傅里葉變換域方法

基于傅里葉變換域的方法是通過對攜帶OAM的波束在角動量域做傅里葉變換從而進行模態(tài)數(shù)識別的方法。

在光學領域通常用于提取OAM模態(tài)的成分信息。一種檢測方法是利用接收到OAM光束自身進行干涉[61],先將光束分成兩路再合并,其中一路進行一定的相位延遲,然后對其在相位上進行積分,再進行FFT,這樣便可在角動量域上分析出其模態(tài)成分。

傅里葉變換域法也可應用于無線電領域,一種基于空間正交變換的多模態(tài)渦旋電磁波信號模態(tài)并行分離的方法[62]被提了出來。該方法將接收陣列天線的信號并行輸出,經(jīng)過去波束賦形處理,再進行空間正交傅里葉變換(即關于渦旋電磁波方位角的FFT),最后并行輸出渦旋電磁波的模態(tài)離散譜分量,輸出分量為已去模態(tài)的調制信號,從而完成渦旋電磁波的模態(tài)分離和識別過程。

3.4.3 部分接收法

部分接收法在接收端選取圓的1/P作為接收圓弧,再利用M個接收天線均勻分布在這段圓弧上進行M點信號采樣[61],如圖27所示。

圖27 部分采樣接收示意圖Fig.27 Schematic of partial aperture sampling receiving

該方法能正確區(qū)分不同模態(tài)正交性的需要滿足兩個條件:

條件1|ln1-ln2|, modP=0;

條件2|ln1-ln2|, modMP≠0。

部分接收采樣法盡管對OAM模態(tài)復用存在一定的限制,但該方法使得接收端不再需要接收完整的相位信息,大大簡化了接收端的規(guī)模。

此外,還可以通過將接收天線陣列設計成與發(fā)射天線陣列分布相同,相位共軛的方法來完成對OAM模態(tài)值的檢測,從而完成解復用。但對于傳統(tǒng)的未經(jīng)能量發(fā)散角抑制的OAM電磁波,要想接收到足夠的渦旋電磁波能量以保證不同模態(tài)之間的正交性,接收陣列天線的口徑將隨著距離的增加而不斷增大,考慮到受限的陣列尺寸,目前該方法暫不適用于遠距離信號傳輸[61]。

4 電磁渦旋的傳播特性

4.1 大氣湍流

大氣湍流的影響主要來自于大氣中隨時間、空間不斷變化的溫度、濕度、壓強、風速等因素,這些因素不斷的進行隨機的運動,對渦旋電磁波的能量、相位分布及模態(tài)正交性造成了較大的破壞,從而影響整個渦旋通信系統(tǒng)的通信質量。大氣湍流對通信鏈路影響原理圖如圖28所示。

圖28 大氣湍流對通信鏈路影響原理圖Fig.28 Schematic of influence of atmospheric turbulence oncommunication link

Kolmogorov模型是研究大氣湍流的一種常用模型,文獻[63-64]研究了基于Kolmogorov模型的大氣湍流對于自由空間光通信OAM正交性、光束強度以及相位分布的影響。得出了弱大氣湍流下連續(xù)OAM可進行短距離通信和中等大氣湍流下OAM模態(tài)間隔至少為3時才能保證信號的可靠提取的結論。

而對于使用范圍更廣的non-Kolmogorov模型,文獻[65]利用多相位分屏模擬了LG波束在大氣湍流中的傳輸,表明大氣湍流會導致LG波束的螺旋譜彌散,且該值與拓撲荷、波長、指數(shù)參數(shù)、折射率結構參數(shù)、內外尺度密切相關。文獻[66]研究了non-Kolmogorov大氣湍流對攜帶OAM的Hankel Bessel Schell (HBS)波束的影響,結果表明隨著傳輸距離和折射率的增加,HBS波束OAM態(tài)的檢測概率將會降低。

4.2 水下通信

渦旋電磁波通信在水下環(huán)境也面臨著巨大挑戰(zhàn)。一方面,海水環(huán)境對電磁波存在諸多的隨機影響因素(如吸收、多徑效應、多普勒效應、隨機起伏、海水渾濁度等)。另一方面,海水較強的趨膚效應將嚴重影響渦旋電磁波的傳輸。

在水下無線通信中,利用藍綠光對海水較強的穿透能力能有效解決水下的信號衰減問題[67]。文獻[68]研究了水介質在波束衰減和色散方面對是否攜帶OAM綠光波束的情況進行了對比,并指明水流會輕微引起OAM波束的畸變,而溫度引起的水湍流會導致較大的信號衰減。溫度梯度嚴重干擾OAM模態(tài)的隔離度,較大的溫度梯度會引起嚴重的OAM電磁波模態(tài)畸變和波束擴展。文獻[69]研究了“水——空氣——水”通信鏈路的情況,指出水面高度的變化對接收OAM波束的性能會產(chǎn)生較大影響,并提出了一種反饋校正的機制能有效降低這一影響。

5 結束語

憑借著Thidé和Tamburini的努力,OAM最終被引入無線通信領域,該技術的持續(xù)發(fā)展將對現(xiàn)今擁擠頻譜資源的充分利用具有重大意義。本文主要在以下幾方面進行了詳細論述:

(1) 描述了電磁渦旋的基本原理,給出了角動量的分類,闡明了角動量、自旋角動量和OAM的關系。

(2) 闡述了電磁渦旋技術的發(fā)展歷史,介紹了電磁渦旋技術的早期發(fā)展,對首次外場實驗引發(fā)的關于電磁渦旋技術的爭論進行了總結。

(3) 從渦旋電磁波的產(chǎn)生、模態(tài)復用、能量發(fā)散角研究、接收技術及傳播特性5個方面對電磁渦旋技術的現(xiàn)狀進行了總結和分析。

電磁渦旋通信技術為傳統(tǒng)通信提供了一個全新的自由度,能大幅提升現(xiàn)有通信系統(tǒng)的通信容量,對未來無線通信產(chǎn)生重大影響。我國自然基金委從2013年開始支持關于電磁渦旋通信的研究,國內多家高校及研究所均在電磁渦旋領域不斷探索,在雷達、通信、量子等諸多領域取得了許多研究進展。在無線電領域,認為電磁渦旋的未來研究趨勢主要集中在以下幾個方面:

(1) 能量發(fā)散角進一步抑制或消除。盡管針對能量發(fā)散抑制目前已經(jīng)提出了一些方法,然而遠遠不能滿足遠距離信息傳輸?shù)男枨?較大幅度的抑制甚至消除能量發(fā)散角才是真正解決渦旋電磁實現(xiàn)遠距離通信并走向實用化的現(xiàn)實問題。

(2) OAM檢測及解復用。目前對于OAM模態(tài)的檢測大多集中于單個模態(tài)的分析,對于多模態(tài)復用的渦旋電磁波,尤其在接收天線數(shù)量有限前提下,如何能正確檢測其模態(tài)數(shù),從而有效提高模態(tài)隔離度,也是一個需要重點解決的問題。

(3) 渦旋電磁波與MIMO的關系。關于渦旋電磁波與MIMO的關系至今仍然是國際上爭論的焦點問題。渦旋電磁波與MIMO技術二者誰是誰的子集,亦或是二者完全獨立,還是存在較多交集,至今還未有全面清晰的解答,仍需國內外相關專家進行深入研究。

盡管電磁渦旋通信技術目前還存在較多爭議,研究也僅處在理論研究和實驗室驗證階段,離實用化還存在一定距離,但隨著近幾年國內外研究者對該領域的持續(xù)努力,我們相信在不久的將來,電磁渦旋技術的發(fā)展將會越來越清晰。