无线通信中的轨道角动量

目录

一. 前言

二. 如何传输

三. 如何产生

3.1 螺旋结构器件

（1）螺旋相位板

（2）螺旋抛物面天线

3.2 超表面

3.3 天线阵列

3.3.1 相控阵

3.3.2 时控阵

四. 如何识别

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一. 前言

轨道角动量：Orbital Angular Momentum，简称为OAM，后文将用此简称。

先给出几个结论：

• OAM可以提升无线通信系统的容量，包含开发新的频谱和提升频谱利用率；
• OAM可以处于多种状态，具有不同OAM状态的电磁波之间是正交的；
• OAM电磁波的等相位面试随着电磁波束的传播螺线前进的曲面；
• OAM状态为l的电磁波的波前有l个螺旋曲面缠绕组成；
• 目前无线通信系统仅使用平面波进行数据传输，轨道角动量OAM波作为曲面波为无线通信系统提供了一个新的自由度技术。

二. 如何传输

OAM波用于信号传输的方式的方式主要有两种：

1. 直接利用OAM状态进行信息的编解码；
2. 复用OAM状态进行传输信息

三. 如何产生

统计态涡旋电磁波产生的方法主要有三种：螺旋结构器件，超表面，天线阵列。

3.1 螺旋结构器件

螺旋结构器件包括螺旋相位板和螺旋抛物面天线。

（1）螺旋相位板

当平面波透过螺旋相位板时，由于相位板的螺旋面结构导致投射波束的波程差不同，引起相位的改变量也不同，从而产生一个具有螺旋特征的相位因子，使得透射波束由平面电磁波变成具有螺旋特征的涡旋电磁波。

（2）螺旋抛物面天线

螺旋抛物面天线是将普通的抛物面天线进行机械加工后实现了对波束相位的旋转。使用螺旋结构的天线产生的OAM波束方向性较好，但是由于螺旋结构的天线结构单一，产生的电磁波会有能量的损耗，且对相位的控制不精准，无法灵活产生多个模态的轨道角动量波束进行复用传输，因此适用范围受限。

3.2 超表面

超表明是一种单元结构远小于工作波长的人工周期结构。电磁波特性取决于单元结构而不是材料本身，所以可以通过控制超表面单元结构的形态和分布调控波束相位进而产生轨道角动量。

3.3 天线阵列

天线阵列是产生携带OAM波束的典型方法，包含相控阵和时空阵。

3.3.1 相控阵

将一定数量N的天线阵元等间隔均匀排放在半径一定的圆周上，对所有阵列单元馈送相同幅度的调制信号，并令相邻天线阵元之间有一个连续变化的相位延迟，使得涡旋波束绕轴旋转一周后，相位改变。通过改变天线阵元之间馈电相位差的大小便可以产生不同模态的OAM波束。

3.3.2 时控阵

时控阵列天线在阵列的每个射频单元前端增加了一个周期性调制的可控高速射频开关。将射频信号通过一个N路的功率分配器等分地输入到N个独立的射频开关中，并周期性控制天线阵列阵元工作或者关闭，进而生成不同模态的OAM辐射模式。

采用时空天线阵列产生轨道角动量电磁波的最大缺点就是产生的涡旋电磁波波束处于不同的频率。

四. 如何识别

通常使用OAM光载波的识别和检测，具体过程如下：

1. 使用共轭螺旋相位变换把具有特定拓扑荷的光涡还原成高斯光束；
2. 通过模式排序方法把拓扑荷不同的OAM在博取分开；
3. 使用空间干涉仪，根据干涉图像提取OAM载波；
4. 采用光子集成电路实现OAM解复用；
5. 通过算法进行软判决来检测OAM载波。