CN105827562A - 一种基于电磁波轨道角动量的信息传输系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁波轨道角动量的信息传输系统，该系统主要包括发射模块和接收模块两大部分。发射模块主要包括发射天线，聚光器设备，模式数不同的螺旋反射器。接收模块主要包括接收天线，逆螺旋反射器，以及空间滤波器。本发明通过使用螺旋反射器构造携带不同轨道角动量的涡旋电磁波，使用聚光器完成涡旋电磁波的复用，使用逆螺旋反射器将需要的电磁波载体重新转换为平面电磁波，使用空间滤波器得到所需要的携带信息的特定电磁波。本发明实现了多束电磁波在相同频率下的信息传递，大大提高了信息的传递效率，同时也为现如今电磁波信息传输可用带宽饱和的问题提供了一个可行性的解决方案。

Description

一种基于电磁波轨道角动量的信息传输系统

技术领域

本发明涉及信息传递领域，以电磁波轨道角动量(OAM)为研究对象，在此基础上提出了一种在同一频率下多个携带不同轨道角动量电磁波复用解复用的方法。

背景技术

电磁频谱作为信息传输的主要载体，已经广泛应用于各个领域的信息传输。传统的无线电通信方式采用的是自旋角动量(SAM)，仅仅是让电子产生振荡，产生最基本的电磁波。随着使用移动设备人数的迅速增长，已经不可避免的导致了在可用无线电带宽范围内的拥挤，即使在应用了密集编码技术和信道共享技术，拥挤问题依然存在。因此，试着去开发一种能更好地运用电磁谱的技术是十分重要的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种在相同频率下携带不同轨道角动量(OAM)的多束电磁波的复用解复用技术。通过这种技术，可以实现在同一频率下携带不同信息的多束电磁波的传输和接收，这可以大大提高电磁波信息传递的效率，并为解决可用频带饱和的问题提供了一种可行性方案。

在电磁波中，两种角动量共同组成了总动量，即J＝S+L，其中J表示总动量，S表示粒子自旋角动量(SAM)，L表示粒子轨道角动量(OAM)。而轨道角动量(OAM：Orbitalangularmomentum)是电磁波外在旋转的一种体现，是描述螺旋波束能量横向旋转特性的空间坐标维度，它垂直于电磁波传播方向。

本发明所采用的技术方案是：一种基于电磁波轨道角动量的信息传输系统，该传输系统采用30-100GHZ频率下的携带不同轨道角动量的电磁波作为信息载体，来实现信息的高效率传递，该系统主要由发射模块、接收模块组成。所述的发射模块主要包括聚光器、发射天线及螺旋反射器，其中螺旋反射器为螺旋阶梯状结构的反射器；三个拓扑电荷值l不同的螺旋反射器设置在发射模块最前端，聚光器连接在螺旋反射器的输出端，发射天线放置在聚光器的输出端之后。发射模块中聚光器的作用是为了使三束波共轴复用传输，螺旋反射器的主要作用是使平面电磁波变为携带轨道角动量的涡旋电磁波，当平面电磁波通过时，波前相位映射到高度不同的反射面上，产生相位变化，因此平面电磁波可以携带相位因子exp(ilφ)，从而转变为涡旋电磁波，其中φ为方位角，l为拓扑电荷数其值代表不同的轨道角动量，其值表现为：

其中N为反射面上的阶梯数，η_σ为表面距离，λ为电磁波波长，如图3所示为一个四级螺旋反射器构造图，通过调整表面距离η_σ以及阶梯N的值，即设计出不同l值的螺旋反射器，发射天线用于将复用的电磁波传输出去。

所述的接收模块主要包括接收天线、逆螺旋反射器以及空间滤波器，接收端的主要结构如图1后半部分所示，接收天线放置于接收端最前端，接收天线输出端连接着l＝-4的逆螺旋反射器1，逆螺旋反射器1后安装空间滤波器1；空间滤波器1采用双输出端，其中空间滤波器1的输出端1根据不同的电场强度分布筛选出平面电磁波，空间滤波器1的输出端2输出剩余的携带不同角动量的涡旋复用波束，输出端2连接逆螺旋反射器2，逆螺旋反射器2输出端连接空间滤波器2；空间滤波器2的输出端1输出平面电磁波，空间滤波器2的输出端2输出单束涡旋波束，并连接逆反射器3。接收模块中的接收天线用于复用波束的接收，逆螺旋反射器的主要作用在于去除电磁波携带的相位因子，而滤波器的作用是为了筛选出想要的电磁波信息。

本发明的益处是：1、为解决现如今电磁波通信可用频带饱和的问题提供了一种可行性方法。2、运用螺旋反射器及逆反射器实现了在相同频率下携带不同信息的多束电磁波传递和接收，大大提高了电磁波携带信息的传递效率。3、理论上使以电磁波为信息载体的超大量、大规模的信息传输成为一种可能。

附图说明

图1：角动量复用解复用技术总体框图。

图2：聚光器设备图。

图3：四级螺旋反射器结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明是一种基于电磁波轨道角动量的信息传递系统，其总体发射与接收框图如图1所示，系统主要包括了发射模块和接收模块两大部分。

在系统的发射模块主要要用到三个l值不同的螺旋反射器、聚光器、发射天线。首先构造三束平面电磁波，三束波频率相同，为30-100GHZ任意数值，将其分别通过上述三个l值不同的螺旋反射器后，三束波会携带相位因子exp(ilφ)，其中l取值分别为0、4和8，其中l值为0的电磁波仍为普通的平面电磁波，其余两束波则变为了携带轨道角动量的涡旋电磁波。用公式表示为：

u(r，θ)＝A(r)·exp(ilθ)(1)

式中u表示携带轨道角动量的涡旋电磁波，A为平面电磁波，r为距中心轴的辐射距离。并且携带轨道角动量的涡旋电磁波的场强分布呈现出中间部分为0，周围形成圆环状的分布形式。而平面电磁波的场强分布则与涡旋电磁波呈现出完全不同的分布状态，其中间部分有明显的场强强度。

之后将三束携带不同轨道角动量的电磁波(l＝0,4,8)在同一频率进行复用，将三束波通过聚光器设备，这样通过设备内部不同透镜的两次反射对电磁波传播方向的调整，三束波就会形成共轴传输的效果，如图2所示。最后用发射天线将它们传输出，用公式表示为：

$u_{mux}(r,\mathrm{\θ})=\underset{l=0,4,8}{\Σ}A\left(r\right)\·\exp \left(il\mathrm{\θ}\right)---\left(2\right)$

由于各个模式数l的值不同且在传播过程中三束波的波前相位可以被保持，所以在相同的频带传播过程中三束电磁波是相互正交的，它们之间不会产生混叠。因此三束携带不同轨道角动量的电磁波束在相同频率下进行OAM复用，这样在信息传输能力上就提高了三倍。从这里看出，理论上来说电磁波轨道角动量的复用技术可以将信息传递效率提高不止三倍，它可以提高到十倍甚至上百倍。

在接收模块中，主要要用到接收天线、逆螺旋反射器以及空间滤波器。当三束电磁波传递到接收端被接收天线接收下来后，为了得到其中每一束电磁波所携带的信息，就要对三束波进行解复用，这就需要使用逆反射器即将螺旋反射器反向使用，它的拓扑电荷数l的值要与需要进行解复用的扭曲波束的l相对应，即为-l，以此来转化掉扭曲波束自身所携带的特有的相位因子将接收天线接收下来的复用在一起的三束电磁波束通过l＝-4的逆反射器，用下述公式表示为：

$\begin{array}{c}{u}_{de}(r,\mathrm{\θ})=\exp \left({\mathrm{il}}_t\mathrm{\θ}\right)\·\underset{l=0,4,8}{\Σ}A\left(r\right)\·\exp \left(il\mathrm{\θ}\right)=\\ A\left(r\right)+\underset{l=-4,4}{\Σ}A\left(r\right)\·\exp \left(il\mathrm{\θ}\right)\end{array}---\left(3\right)$

式中，I_t的值为-4。这样携带特定拓扑电荷l＝4的涡旋波束就会转变为普通的平面电磁波，其他两束波束仍为涡旋电磁波其l的值分别为4和-4。同时由于平面电磁波的强度与另外两束扭曲波束呈现出完全不同的分布，不再是圆环形状，其中间部分有明显的场强强度，因此可以使用空间滤波器将场强分布明显不同的平面电磁波束2滤出，进而得到所需要的电磁波2中所携带的信息，之后再用同样的方式将剩余的两束涡旋电磁波再次通过l＝-4的逆反射器，电磁波3重新变为平面电磁波，电磁波1变为携带l＝-8的角动量的涡旋电磁波，根据场强分布的不同，使用空间滤波器将平面波3滤出，进而得到平面波3中的信息，最后只剩下涡旋电磁波1，也可从而得到其所携带的信息。

本发明运用螺旋反射器使平面电磁波携带轨道角动量，构造出具有不同模式数的扭曲电磁波进行复用和解复用，实现在相同的频率下进行大数据量信息的传输，进而大幅度提升无线电通信传输信息的能力。这项技术可以为现如今无线电通信可用带宽饱和的问题提出一个很好地解决方法。

一种基于电磁波轨道角动量的信息传递系统，该系统采用30GHZ-100GHZ频率下的携带不同轨道角动量的电磁波作为信息载体，来实现信息的高效率传递，其特征在于，包括发射模块和接收模块；其中，

所述发射模块，用于涡旋电磁波的构成，多数电磁波的复用及发送。

所述接收模块，用于涡旋电磁波的接收及解复用。

发射模块具体包括：l值不同的螺旋反射器，用于构造携带不同轨道角动量的涡旋电磁波；

聚光器设备，用于多束携带不同轨道角动量的涡旋电磁波的复用；

发射天线，用于发送复用后的电磁波束。

接收模块具体包括：

接收天线，用于涡旋电磁波的接收；

与发射模块对应的逆螺旋反射器，用于电磁波的解复用，将相应的涡旋电磁波重新转换为平面电磁波；

空间滤波器，用于电磁波的解复用，将平面电磁波从复用波束中滤出，进而得到其所携带的信息。

基于电磁波轨道角动量的信息传递系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：携带不同轨道角动量的涡旋电磁波的构造；

步骤2：通过聚光器设备进行多束电磁波的复用；

步骤3：复用的涡旋电磁波的传输及接收；

步骤4：逆反射器对复用电磁波进行解复用；

步骤5：空间滤波器滤出所需的平面电磁波，得到其中携带的信息。

Claims (2)

1.一种基于电磁波轨道角动量的信息传输系统，其特征在于：该传输系统采用30-100GHZ频率下的携带不同轨道角动量的电磁波作为信息载体，来实现信息的高效率传递，该系统主要由发射模块、接收模块组成；所述的发射模块主要包括聚光器、发射天线及螺旋反射器，其中螺旋反射器为螺旋阶梯状结构的反射器；三个拓扑电荷值l不同的螺旋反射器设置在发射模块最前端，聚光器连接在螺旋反射器的输出端，发射天线放置在聚光器的输出端之后；发射模块中聚光器的作用是为了使三束波共轴复用传输，螺旋反射器的主要作用是使平面电磁波变为携带轨道角动量的涡旋电磁波，当平面电磁波通过时，波前相位映射到高度不同的反射面上，产生相位变化，因此平面电磁波携带相位因子exp(ilφ)，从而转变为涡旋电磁波，其中φ为方位角，l为拓扑电荷数其值代表不同的轨道角动量，其值表现为：

其中N为反射面上的阶梯数，η_σ为表面距离，λ为电磁波波长，通过调整表面距离η_σ以及阶梯N的值，即设计出不同l值的螺旋反射器，发射天线用于将复用的电磁波传输出去；

所述的接收模块主要包括接收天线、逆螺旋反射器以及空间滤波器，接收天线放置于接收端最前端，接收天线输出端连接着l＝-4的逆螺旋反射器1，逆螺旋反射器1后安装空间滤波器1；空间滤波器1采用双输出端，其中空间滤波器1的输出端1根据不同的电场强度分布筛选出平面电磁波，空间滤波器1的输出端2输出剩余的携带不同角动量的涡旋复用波束，输出端2连接逆螺旋反射器2，逆螺旋反射器2输出端连接空间滤波器2；空间滤波器2的输出端1输出平面电磁波，空间滤波器2的输出端2输出单束涡旋波束，并连接逆反射器3；接收模块中的接收天线用于复用波束的接收，逆螺旋反射器的主要作用在于去除电磁波携带的相位因子，而滤波器的作用是为了筛选出想要的电磁波信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁波轨道角动量的信息传输系统，其特征在于：本发明是一种基于电磁波轨道角动量的信息传递系统，系统主要包括了传输模块和接收模块两大部分；

在系统的发射模块主要要用到三个l值不同的螺旋反射器、聚光器、发射天线；首先构造三束平面电磁波，三束波频率相同，为30-100GHZ任意数值，将其分别通过上述三个l值不同的螺旋反射器后，三束波会携带相位因子exp(ilφ)，其中l取值分别为0、4和8，其中l值为0的电磁波仍为普通的平面电磁波，其余两束波则变为了携带轨道角动量的涡旋电磁波；用公式表示为：

u(r，θ)＝A(r)·exp(ilθ)(1)

式中u表示携带轨道角动量的涡旋电磁波，A为平面电磁波，r为距中心轴的辐射距离；并且携带轨道角动量的涡旋电磁波的场强分布呈现出中间部分为0，周围形成圆环状的分布形式；而平面电磁波的场强分布则与涡旋电磁波呈现出完全不同的分布状态，其中间部分有明显的场强强度；

之后将三束携带不同轨道角动量的电磁波(l＝0,4,8)在同一频率进行复用，将三束波通过聚光器设备，这样通过设备内部不同透镜的两次反射对电磁波传播方向的调整，三束波就会形成共轴传输的效果；最后用发射天线将它们传输出，用公式表示为：

$u_{mux}(r,\mathrm{\θ})=\underset{l=0,4,8}{\Σ}A\left(r\right)\·\exp \left(i1\mathrm{\θ}\right)---\left(2\right)$

由于各个模式数l的值不同且在传播过程中三束波的波前相位能够被保持，所以在相同的频带传播过程中三束电磁波是相互正交的，它们之间不会产生混叠；因此三束携带不同轨道角动量的电磁波束在相同频率下进行OAM复用，这样在信息传输能力上就提高了三倍；从这里看出，理论上来说电磁波轨道角动量将信息传递效率提高不止三倍，它能够提高到十倍甚至上百倍；

在接收模块中，主要要用到接收天线、逆螺旋反射器以及空间滤波器；当三束电磁波传递到接收端被接收天线接收下来后，为了得到其中每一束电磁波所携带的信息，就要对三束波进行解复用，这就需要使用逆反射器即将螺旋反射器反向使用，它的拓扑电荷数l的值要与需要进行解复用的扭曲波束的l相对应，即为-l，以此来转化掉扭曲波束自身所携带的特有的相位因子将接收天线接收下来的复用在一起的三束电磁波束通过l＝-4的逆反射器，用下述公式表示为：

$\begin{array}{c}{u}_{de}\left(r,\mathrm{\θ}\right)=\exp \left(i{1}_t\mathrm{\θ}\right)\·\underset{l=0,4,8}{\mathrm{\Σ}}A\left(r\right)\·\exp \left(i1\mathrm{\θ}\right)=\\ A\left(r\right)+\underset{l=-4,4}{\mathrm{\Σ}}A\left(r\right)\·\exp \left(i1\mathrm{\θ}\right)\end{array}---\left(3\right)$

式中，I_t的值为-4；这样携带特定拓扑电荷l＝4的涡旋波束就会转变为普通的平面电磁波，其他两束波束仍为涡旋电磁波其l的值分别为4和-4；同时由于平面电磁波的强度与另外两束扭曲波束呈现出完全不同的分布，不再是圆环形状，其中间部分有明显的场强强度，因此能够使用空间滤波器将场强分布明显不同的平面电磁波束2滤出，进而得到所需要的电磁波2中所携带的信息，之后再用同样的方式将剩余的两束涡旋电磁波再次通过l＝-4的逆反射器，电磁波3重新变为平面电磁波，电磁波1变为携带l＝-8的角动量的涡旋电磁波，根据场强分布的不同，使用空间滤波器将平面波3滤出，进而得到平面波3中的信息，最后只剩下涡旋电磁波1，也能从而得到其所携带的信息。