Abstract
随着频率等无线传输资源逐渐消耗殆尽, 基于电磁波轨道角动量(OAM)新维度的数据传输成为下一代通信系统潜在核心关键技术. 具有OAM的电磁波称为涡旋电磁波, 具体可分为通过回旋电子辐射生成的电磁波涡旋量子, 以及由不同相位的平面波叠加生成的统计态涡旋波束. 然而, 由于统计态涡旋波束被认为是多天线(MIMO)系统的一种在直射信道环境下波束赋形的特例, 从而对电磁波OAM 传输是否具有新维度产生争论. 特别是从微观层面到宏观层面, 目前缺少相应理论文献予以澄清. 本文将从量子电动力学(QED)的角度, 阐述具有OAM量子态的电磁波涡旋量子与电磁波OAM统计态涡旋波束的区别. 首先介绍具有OAM量子态的电磁波涡旋量子, 指出单个量子携带轨道角动量的物理特征, 即电磁波涡旋量子具有轨道角动量算符本征态. 比如在微波频段, 可以产生``涡旋微波量子. 接着重点分析OAM 统计态涡旋波束, 说明其不仅可以由大量全同电磁波涡旋量子共轴传输产生, 还可以由平面波量子的混态组成. 目前采用各类天线(天线阵)产生的OAM 波束均属于后者, 这种统计态涡旋波束通过调整平面波在空间中的分布获得OAM, 所定义的OAM只对波束有意义, 并不要求单个电磁波量子也具有OAM, 因此这种涡旋波束在微观上还是由平面波量子组成的. 本文分析指出: 具有OAM 量子态的电磁波涡旋量子与OAM统计态涡旋波束关于轨道角动量定义的内涵是不同的, 从而导致了OAM统计态涡旋波束在目前天线(天线阵)收发的应用形式下并不含有与电场强度相独立的OAM新维度, 其波束的OAM 与电场强度的空域维度完全相关, 这也是OAM统计态涡旋波束传输不会超过传统MIMO 传输最大容量界的根本原因; 与之相比, OAM量子态则是物理上完全独立于电场强度的新维度(物理量纲线性无关). 因此, 电磁波涡旋量子是开发电磁波新资源的发展方向, 以其为核心关键技术的无线通信系统则是未来的发展趋势.
Sign-in/Register to access full text options 
Free) 
Talk to us
Join us for a 30 min session where you can share your feedback and ask us any queries you have
Schedule a call
