涡旋电磁波在无线通信系统中的应用

Longmiao

在当今这个信息化飞速发展的时代，无线通信产业如同一股不可阻挡的潮流，深刻地改变着人们的生活方式与工作模式。然而，随着智能终端的普及和物联网技术的兴起，无线频谱资源的需求量与日俱增，而自然界中可供分配的频谱资源却相对有限，这一矛盾如同悬在无线通信发展头顶的达摩克利斯之剑，日益凸显其紧迫性。

目前常用的移动通信、广播电视、卫星通信和导航等均基于平面电磁波理论（球面波的远距离近似），其等相位面与传播轴垂直。电磁波的轨道角动量（orbital angular momentum ：OAM）特性却使得电磁波的等相位面沿着传播方向呈螺旋上升的形态，故轨道角动量电磁波又称“涡旋电磁波”。

各阶轨道角动量电磁波之间的相互正交性，为无线通信系统的信息传输提供了一个新的维度，且在理论上可获得无穷的传输能力。但由于涡旋电磁波整个波束呈现中空的倒锥形，电磁波波束发散，且随着传输距离的增大，环形波束的半径越来越大，不得于接收。

传统上，无论是移动通信、广播电视还是卫星通信、导航系统，大多依赖于平面电磁波理论，其波前与传播方向垂直，信息传输方式相对单一。而轨道角动量电磁波，这一被誉为“涡旋电磁波”的非凡存在，以其独特的螺旋状相位面沿传播方向旋转的特性，为无线通信领域开辟了一条全新的道路。涡旋电磁波不仅打破了传统电磁波的传输模式，更以其各阶轨道角动量之间的完美正交性，为信息传输提供了无限可能的理论传输容量，为频谱资源的高效利用提供了前所未有的机遇。

对这种电磁波的接收，现有的方法是采用一个大口径的天线（或天线阵）将整个环形波束接收下来。随着传输距离增大，所需接收天线尺寸也越来越大。这种接收方法在长距离传输时变得异常困难，比如10公里的传输，天线口径将达到100米以上；100公里的传输，则需要1公里直径天线[1]，鉴于此原因，涡旋电磁波目前还未能应用于远距离传输。

本文在介绍轨道角动量电磁波的基本概念和两个重要特点的基础上，明确了其在接收环节上存在的技术瓶颈，同时也指出了由于其为复用技术提供了另一个新的维度，故可有效提高频谱复用率，极利于缓解无线频谱需求量急剧增加与有限的频谱资源之间的矛盾。

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