一什麼是軌道角動量,現在無線通訊主要確立在平面電磁波上已充實行使時域頻域碼域空域和極化域這些復用維度來提高頻譜效率為了獲得更高的頻譜效率業界在不停實驗從電磁波的物理特徵入手來實現信息傳輸方式的突破好比軌道角動量OrbitalAngularMomentumOAM手藝,什麼是OAM憑證經典電動力學理論電磁波不僅具有線動量也具有角動量其中OAM形貌的是電磁波繞流傳軸旋轉的特徵使電磁波的相位波前呈渦旋狀這種形式的電磁波被稱為渦旋電磁波如圖1所示1OAM具有諸多OAM模態其中OAM模態l0為平面波而對於l0的情形差異模態值的渦旋電磁波相互正交2通過模態的復用可以在不依賴於諸如時間和頻率等傳統資源的情形下發送多個同軸數據流提供了無線傳輸的新復用維度從而提升頻譜效率,吊燈幾個頭在風水上的禁忌(客廳吊燈選幾個頭)
,圖1渦旋電磁波,渦旋電磁波可分為電磁波渦旋量子和統計態渦旋波束其中電磁波渦旋量子指的是行使相對論下的渦旋电子輻射出攜帶差異模態數的渦旋量子由於單個量子攜帶OAM行使OAM量子發射機和OAM量子傳感器可劃分發生和吸收自力於電場強度的新維度從而提升系統容量3統計態渦旋波束是指電磁波的宏觀渦旋徵象其發生與吸收方式類似於多天線系統中的波束賦形現在業界就其能否提供無線傳輸新維度存在爭議,看到這裡是不是一頭霧水呢沒事下面就跟小編一起掀起OAM的神秘蓋頭友誼提醒文章有點長一定要耐心讀完哦,二電磁波渦旋量子,01手藝原理,電磁波渦旋量子是由磁場中盤旋振蕩电子輻射發生的,4,
,在發射端首先行使高壓電源對电子舉行加速然後高能电子進入平均磁場將电子運動偏向剖析為平行磁場和垂直磁場兩個偏向电子在平行磁場的偏向做勻速直線運動在垂直磁場偏向受到洛倫茲力作用洛倫茲力提供了向心力在垂直於磁場和運動偏向的平面內做盤旋運動盤旋电子狀態處於離散的朗道能級並攜帶OAM形成渦旋电子如圖2所示,
,圖2電磁波渦旋电子,渦旋电子通過釋放能量躍遷到角動量削減的低能態憑證角動量和能量守恆躍遷到低能態釋放的角動量和能量轉達給電磁波渦旋量子即渦旋电子自覺輻射發生電磁波渦旋量子如圖3所示,
,圖3電磁波渦旋量子,在吸收端電磁波渦旋量子的模態檢測方式與其發生方式類似主要區別在於角動量和能量從電磁波渦旋量子轉移到电子通過對电子的角動量模態舉行檢測實現電磁波渦旋量子模態識別和信息傳輸一個可行的方式是將吸收到OAM的渦旋电子與晶體舉行撞擊憑證撞擊后的衍射圖案識別電磁波渦旋量子的模態5就像差異氣力的人擊打統一個物體留下的印記一定是差其餘,可以看出OAM量子傳感器檢測電磁波渦旋量子與傳統天線檢測電磁波電場強度是相互自力的因此電磁波渦旋量子的OAM是區別於電場強度的自力物理量理論上可構建只有OAM傳輸的零帶寬傳輸系統從而提供無線傳輸新維度通過多模態電磁波渦旋量子復用傳輸可提升系統容量有望逾越傳統MIMO容量界,02手藝挑戰,電磁波渦旋量子組成的OAM量子態可提供,自力於電場強度的新維度,
,然則小編不得不告訴你好貨自然貴現在OAM量子發射機和OAM量子傳感器成本較高體積較大商用難題未來器件小型化任重而道遠,三統計態渦旋波束,01手藝原理,統計態渦旋波束由螺旋相位板拋物面天線超外面天線環形行波天線等專用天線或者平均環形天線陣列UniformCircularArrayUCA發生其中螺旋相位板拋物面天線和超外面天線行使平面波在流傳歷程中經由透射或者反射使得波束在差異方位角上獲得特定的相位差環形行波天線通過控制諧振腔的周長調整諧振腔內的諧振模式發生渦旋電磁波這些專用天線可通過改變視距信道提升系統容量但受限於自由度仍然無法逾越傳統MIMO容量界6,UCA法指的是發射端在半徑為r的圓環上等間距充滿N個天線陣元每個陣元的饋電相位依次延時2lNN為天線陣元個數l為OAM模態圍繞天線陣列一周后發生2l的相位旋轉7從而等效出一個沿着流傳偏向呈螺旋漫衍的相位圖如圖4所示吸收端放置半徑為R的UCA從空間吸收整個環形波束能量通過每個陣元接納與發射端UCA相反的饋電相位實現差異模態OAM波束的解復用物理實現上要求發送UCA和吸收UCA圓心瞄準且平行收發端天線紕謬准包羅橫向位移和傾斜會引起螺旋狀相位波前失真從而造成解復用時的模態間串擾降低系統容量,
,圖4平均環形天線陣,研究解釋通過UCA發生的OAM信號在視距傳輸下其模態數等價於流數發生OAM信號的UCA中差異陣元上饋相處置等同於MIMO系統信道舉行SVD剖析所獲得的預編碼矩陣8簡樸來說就是統計態渦旋波束本質上就是波束賦形無法逾越傳統MIMO容量界然則與傳統的MIMO相比吸收端不需要將信道狀態信息反饋給發送端且模態間的解復用通過調整移相器完成大大降低了系統龐大度以是咱們統計態渦旋波束寶寶也是有甜頭滴,02應用挑戰,統計態渦旋波束的主要特點是波束整體呈發散形態波束中央存在凹陷中央能量為零整個波束出現中空的倒錐形9如圖5所示是不是看起來像個小喇叭還挺漂亮俗話說越漂亮的器械越有挑戰OAM波束也不破例,1OAM波束髮散的特徵將導致吸收端能量集中在一個圓環上且隨着傳輸距離的增大和模態的增添環形波束的半徑越來越大不適用於長距離傳輸,
,圖5統計態渦旋波束中空發散,2物理實現上要求發送和吸收天線陣列圓心瞄準且平行應用場景受限一樣平常應用於收發端位置牢靠的前傳回傳鏈路好比宿主基站和中繼節點之間的鏈路等移動通訊系統中用戶終端位置不定在移動通訊中應用挑戰較大,3由大氣湍流雨霧等流傳環境造成的多徑效應可能會導致OAM多路復用系統發生信道內和信道間串擾損壞螺旋相位面導致吸收端無法對多模態數據解復用面臨大量的電磁渦旋波狀態若何舉行有用的星散和檢測將是OAM手藝應用於無線通訊所面臨的焦點挑戰之一,四總結,看到這裏的童鞋對我們OAM是真愛無疑了筆芯,
,小編總結一下OAM分為量子態和統計態具有OAM量子態的電磁波渦旋量子可提供物理傳輸的新維度通過OAM模態復用理論上有望突破傳統MIMO容量界且量子態波束無需限製成倒錐形不受波束髮散和收發端嚴酷瞄準的影響可適用於用戶和基站間的長距離傳輸然則未來器件小型化任重而道遠電磁波OAM統計態渦旋波束本質上仍然是波束賦形理論上沒有突破MIMO容量界且受波束髮散和瞄準的影響在無線通訊中的應用將面臨較大挑戰有待業界進一步研究突破,本文作者中國移動研究院董靜金婧夏亮王啟星劉光毅清華大學張超王元赫,泉源中移智庫,參考文獻,1馬路電磁波軌道角動量長距離傳輸方式研究D清華大學2017,2BThidHThenJSjholmetalUtilizationofphotonorbitalangularmomentuminthelowfrequencyradiodomainPhysRevLettvol99no8pp14Aug2007,3張超王元赫電磁波軌道角動量傳輸的量子電動力學剖析J中國科學信息科學2021ISSN16747267doi101360SSI20210066,4ZhangCXuPJiangXVortexelectrongeneratedbymicrowavephotonwithorbitalangularmomentuminamagneticfieldAIPAdv202010,5ZhangCXuPJiangXDetectingsuperposedorbitalangularmomentumstatesinthemagneticfieldbythecrystaldiffractionEurPhysJPlus2021136113,6ZFZhangSLZhengetalTheCapacityGainofOrbitalAngularMomentumBasedMultipleInputMultipleOutputSystemSciRep62016,7SMMohammadiLKSDaldorffetalOrbitalangularmomentuminradioAsystemstudyIEEETransAntennasPropagvol58no2pp565572Feb2010,8OEdforsAJJohanssonIsorbitalangularmomentumOAMbasedradiocommunicationanunexploitedareaIEEETransAntennasPropagvol60no2pp112611312011,9SjholmJPalmerKAngularMomentumofElectromagneticRadiationFundamentalphysicsappliedtotheradiodomainforinnovativestudiesofspaceanddevelopmentofnewconceptsinwirelesscommunicationsJarXivpreprintarXiv090501902009,
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