论涡旋电磁波轨道角动量传输新维度

轨道角动量（OAM）是电磁波的固有物理量,与电场强度的物理量纲线性无关,可构成无线传输中的新维度。从电磁波资源利用和发展的历史出发,分析了电磁波轨道角动量的物理特征,明确了只有电磁波量子携带内禀OAM的涡旋电磁波传输系统才可以获得MIMO传输以外的无线传输新维度;统计态OAM涡旋波束中的电磁波量子形成的外部OAM与空域维度相耦合,无法构成MIMO传输以外的新维度,但在直射视距（Lo S）信道时可获得额外自由度和较低的复杂度。依据信道容量的不同,将典型涡旋电磁波OAM传输系统划分为4个不同区域,并着重指出量子态OAM涡旋电磁波传输可以形成超越传统MIMO容量界的含有OAM维度的新MIMO容量界。     

涡旋电磁波轨道角动量传输技术

携带轨道角动量(OAM)的电磁波被称为涡旋电磁波,可进一步分为量子态OAM电磁波和统计态OAM电磁波2种.其中,量子态OAM电磁波中每个电磁波量子的内禀OAM不为零,可利用OAM物理量形成无线传输新维度;统计态OAM电磁波则是利用电磁波量子的外部OAM形成具有正交螺旋相位面的统计态波束,由于统计态波束与空域的紧耦合关系...     

涡旋电磁波无线通信技术发展综述

由于携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),涡旋电磁波具有螺旋相位结构以及不同模态相互正交的空间性质,因此将其应用于无线通信技术领域以提升频谱利用率以及通信容量受到学界关注。介绍了涡旋电磁波的结构以及特殊性质,总结了近几年国内外涡旋电磁波在天线技术的进展并对比了各类天线性能,分析了涡旋电磁波在多输入多输出、复杂环境传输以及模态混叠检测领域的不足与发展态势,指出了未来基于涡旋电磁波无线通信发展的方向以及挑战。     

涡旋电磁波无线通信技术的研究进展

由电磁动力学可知,电磁波可携带与极化方式相关的自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)和与坡印廷矢量运动方式相关的轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM).当OAM不为零时,电磁波的波前电场分布呈漩涡状且具有沿轴向传播的特性,人们形象地将这类电磁波称为涡旋电磁波.学界在平面电磁波场强数学模型的基础上引入了一个以OAM的拓扑荷l(又称模态)为参数的傅里叶旋转因子描述涡旋电磁波的波前场,因此,涡旋电磁波波前具有与拓扑荷l相关联的"极化"图案,利用不同模态的涡旋电磁波的极化图案可进一步提升无线通信系统信道容量.研究表明,在开放环境下由均匀圆阵列(Uniform Circular Array,UCA)阵列产生"平面"涡旋电磁波波束尽管可行,但要获得模态复用增益,需要探索基于复平面内单位圆周上分布的正交相位序列的涡旋电磁波波束产生与信息传输方法.文中也调研了无线射频领域OAM与MIMO体制相兼容的研究现状.     

涡旋电磁波无线通信技术的研究进展

由电磁动力学可知,电磁波可携带与极化方式相关的自旋角动量(Spin Angular Momentum, SAM) 和与坡印廷矢量运动方式相关的轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)。当OAM不为零时,电磁波的波前电场分布呈漩涡状且具有沿轴向传播的特性,人们形象地将这类电磁波称为涡旋电磁波。学界在平面电磁波场强数学模型的基础上引入了一个以OAM 的拓扑荷$ \ell $ (又称模态)为参数的傅里叶旋转因子描述涡旋电磁波的波前场,因此,涡旋电磁波波前具有与拓扑荷$ \ell $相关联的“极化”图案,利用不同模态的涡旋电磁波的极化图案可进一步提升无线通信系统信道容量。研究表明,在开放环境下由均匀圆阵列(Uniform Circular Array, UCA)阵列产生“平面”涡旋电磁波波束尽管可行,但要获得模态复用增益,需要探索基于复平面内单位圆周上分布的正交相位序列的涡旋电磁波波束产生与信息传输方法。文中也调研了无线射频领域OAM与MIMO体制相兼容的研究现状。     

涡旋电磁波的理论与应用研究进展

无线电技术因实现对信息的快捷传输而蓬勃发展,时至今日,不断增多的通信业务使得不可再生的频谱资源日益紧缺,通信速率也已趋于香农定理的极限。 涡旋电磁波(简称涡旋波)因携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)而体现出新的自由度,理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态,在通信领域有望提升频谱效率与通信容量,在雷达成像领域也体现出提高分辨率的潜力,逐渐成为研究热点。 基于此,本文通过调研,概述了涡旋波的理论研究进展;阐述了涡旋波产生、传输、接收等传播链路的研究方法;介绍了涡旋波在无线通信领域与雷达成像领域的应用现状;总结了涡旋波在目前发展中面临的关键问题,并指出其未来研究与发展的方向。     

涡旋电磁波旋转多普勒效应研究进展

依据多普勒效应,传统雷达可以实现对运动目标探测,但是在对旋转目标的角向运动趋势感知存在检测盲区。涡旋电磁波的旋转多普勒效应的发现,因有助于解决直视下的旋转目标的角向运动趋势感知问题,引起了国内外研究人员的广泛关注。该文主要介绍了近年来涡旋电磁波旋转多普勒效应的研究进展,特别是微波波段的相关研究成果,包括目标在准轴和非准轴状况下的旋转多普勒效应研究,复杂运动条件下的径向多普勒、微多普勒和旋转多普勒效应的解耦合研究,以及旋转多普勒效应在雷达成像和测速中的应用研究。同时,该文也对该领域亟待解决的问题进行了总结分析,并对未来的研究方向及相关应用进行了展望。      

稀疏多径下基于PASR的涡旋电磁波传输特性

涡旋波束的中空发散特性,导致其远距离传输下接收困难。且传输信道中的多径效应会造成涡旋波束的相位畸变和模态间干扰问题,影响涡旋电磁波信号的传输质量。针对上述问题,建立了基于部分孔径取样接收方案的稀疏多径涡旋电磁波无线传输模型,分析了多径数目、天线阵列数目、传输距离、信噪比等参数对部分接收涡旋通信系统传输性能的影响。仿真结果表明：随着传输距离不断增大,基于部分孔径取样接收的涡旋系统与基于完整孔径取样接收的涡旋系统信道容量间的相对差异越来越小,由此证明了在稀疏多径环境中,部分孔径取样接收涡旋通信系统的可行性。     

多波束涡旋电磁波反射阵天线设计

针对传统反射阵天线产生涡旋电磁波存在方向单一、轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)模态单一的问题,设计了一款多波束涡旋电磁波反射阵天线。提出了一款基于旋转单元法的新型宽带圆极化单元,并利用口径场叠加法,获得了单个馈源产生多个涡旋波束的反射阵阵面补偿相位。仿真结果表明,该天线在26.5～32 GHz生成了2个携带模态-1和+1的涡旋波束,OAM带宽和3 dB增益带宽均为18.3%。在工作带宽内,最大增益为18.3 dBic,口径利用效率为10.31%。     

基于涡旋电磁波的雷达应用研究进展

携带轨道角动量的涡旋电磁波,相比于传统平面波有着独特的螺旋相位结构与模态正交特性,因而能获取更多信息,在雷达探测中受到广泛关注。轨道角动量调制带来的升维信息为新体制雷达成像提供了条件;另外,利用涡旋电磁波观测到的旋转多普勒效应,可获得平面波难以探测的垂直于距离向的运动信息,弥补了平面波雷达探测的缺陷。文中首先介绍了涡旋电磁波的基本概念、特点及常见的产生方法;然后,介绍了基于均匀圆阵的涡旋电磁波成像基本原理,简单推导了利用涡旋波进行旋转多普勒检测的基本原理,梳理了涡旋波在雷达成像和旋转多普勒检测两个应用领域的研究进展;最后,对未来的研究趋势进行了展望。     

建筑物内电磁波传播的计算问题

本文用时域有限差分(FD-TD)法研究了建筑物内电磁波传播的计算问题.首先把计算结果与联合有限元法和边界元法的结果进行了对比,而后计算了不同频率电磁波从不同方向入射时建筑物内电磁场分布的特点.并计算了线源辐射的电磁波在建筑物内的传播及向外辐射的特性以及脉冲电磁波在建筑物内传播和反射的特点.     

EM Wave Propagation in Ferrite-Filled Transversely Magnetized Circular Waveguide

This paper presents a rigorous method of solving Maxwell's equations for ferrite-filled transversely magnetized circular waveguide. Solutions for cylindrical coordinate system are derived by using power series expansion of the field's potentials. Complex propagation constants are obtained by applying boundary conditions and representing fields in partial cylindrical modes. Plane wave representation of propagation is also considered. Numerical calculations of the propagation constants as well as the dominant waveguide mode reflection and transmission from a ferrite-filled waveguide section are presented.     

乐甫波传播特性研究

以部分波理论为基础建立了乐甫波的理论模型,并引入表面有效介电常数方法对乐甫波进行仿真分析.仿真得到的表面有效介电常数、传播模态、频散特性、机电耦合系数等曲线表明了乐甫波的传播特性.当薄膜厚度d和声波波长λ的比值d/λ相对较小时,乐甫波只有一种基本模态;随着d/λ的增大,高阶模态越来越多,且各高阶模态都有一个d/λ的最低截止值;乐甫波所有模态的传播速度均随着d/λ的增大而减小,且都在压电基片的表面波速度和薄膜介质的体切变波速度之间;乐甫波所有模态的机电耦合系数都是先随d/λ的增大而增大,达到某个最大值后,再随着d/λ的增大而减小并最终趋近于零.     

充液管道中声发射波的传播及衰减特性研究

分析了声发射波在液体载荷作用下管道中的声学特性,并对钢管中的几种不同模态的声发射波在液体管道中的传播和衰减特性进行了测量。以一条长41.4 m的充水管道为例,对水载作用下的声发射管道泄漏检测及定位技术进行了研究,当管道内压力为0.6 MPa,两传感器相距40 m时,采用相关分析等信号处理方法,可检测到直径1 mm的针孔形泄漏,相对定位误差为2.9%。     

用FDTD算法模拟电磁波在各向异性媒质中的传播

本文用时域有限差分（FDTD）法计算并模拟电磁（光）波在各向异性媒质中的传播。为了验证方法的有效性，以负单轴晶体为例进行了大量的数值计算，从所得结果看，双折射和极化分束现象清且与解析图解法的结果相吻合，此法确可推广应用于普遍的各向异性媒质中电磁波的传播问题。     

电磁波在大气波导环境下传播特性研究

分析了大气波导环境下的电波传输损耗,结合应用需求,对大气波导环境下电磁波异常传播特性的应用进行了研究.给出了波导条件下电磁波传输损耗模型,波导环境下的电磁波传输损耗计算方法,为无线电系统的总体设计提供了重要的参考价值.     

Research on Propagation Characteristics of Millimeter Wave in Tunnels

This paper analyzes the propagation characteristics of the millimeter wave in various circular section tunnels. The received power, path loss and delay spread are discussed in detail using the verified software of Wireless InSite. The investigated tunnel models with circular section include the long straight tunnel, the tunnel with train inside and the curved tunnels with different curvature. The simulated results are verified by the experimental value in the actual tunnel. Several valuable conclusions are obtained, which would offer theoretical and practical references for the millimeter wave communication in limited spaces.     

静磁表面波传输各向异性研究

建立了在实际ＹＩＧ／Ａｌ２Ｏ３／金属层状结构中的静磁表面波各向异性色散理论，利用数值计算方法研究了偏离正常传输方向φ角时的波矢－频率（ｋ－ｆ）和群延时－频率（τｒ－ｆ）的色散特性，随φ角的增大，色散加剧，群延时增大，但可激励静磁表面波的理论带宽变窄，φ存在一极限值，且在靠近静磁表面低频限的频率范围内φ的极限值也是色散的，与Ａｌ２Ｏ３层的厚度有关。     

傅里叶分步算法在海上电波传播预报中的应用

针对不规则地形和非标准大气环境,推导了电磁波传播的抛物型方程模型。该模型基于修正平坦地面的抛物型方程,采用了分步傅里叶算法;使用AREPS3.0软件计算不同距离上的路径损耗,大气信息取自舰载气象站;并与舰载雷达实际观测数据进行比较,结果表明两者有较好的吻合。     

雷达天线罩电磁散射特性研究

采用高阶矩量法研究了常见雷达天线罩的电磁散射特性.首先采用双线性表面几何建模技术对天线罩进行面剖分,再依据等效原理在天线罩表面建立电磁积分方程,最后用基于混合域基甬数的高阶矩量法对其离散求解.实例验证,该方法简单易行、结果精确,同时发现天线罩材料的电参数在很大程度上影响了其电磁散射特性.