渦旋電磁波軌道角動量傳輸技術(shù)

謝翔東，何耀宇，張 超（清華大學(xué)航天航空學(xué)院航空宇航電子系統(tǒng)實驗室，北京 100084）

1 概述

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對通信質(zhì)量提出了更高的要求，針對后5 代（B5G）和第6 代（6G）移動通信技術(shù)的研究已經(jīng)在全球業(yè)界積極展開。歐盟的地平線2020 計劃（Horizon 2020）對B5G 項目進(jìn)行了資助。美國的聯(lián)邦通信委員會（FCC）開放了THz 頻段并早已開始6G 研究。芬蘭召開了首個6G 無線通信全球峰會。國際電信聯(lián)盟（ITU）則成立了專門的研究小組［1］。在國內(nèi)，工信部于2019 年推動成立了IMT2030 推進(jìn)組［2］，旨在推動中國6G 通信技術(shù)研究，成員包括國內(nèi)主要運營商和制造商，以及相關(guān)高校和研究機(jī)構(gòu)。

一般認(rèn)為，6G 的典型指標(biāo)包括1 Tbit/s 峰值速率，μs 級別延時，數(shù)倍于5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率等。相對于5G 通信網(wǎng)絡(luò)而言，6G 通信網(wǎng)絡(luò)性能有著顯著提升［1-5］。為了滿足6G 需求，業(yè)界積極探索新的無線通信資源和方法，提出了潛在關(guān)鍵技術(shù)。其中，軌道角動量（OAM）作為電磁波無線傳輸新物理維度受到了較為廣泛的關(guān)注［6-10］。

OAM 是電磁波的固有物理屬性，OAM 的物理量綱（ML2T-1）和電場強(qiáng)度的物理量綱（MLT-3I-1）線性無關(guān)（其中M為質(zhì)量，L為長度，T為溫度，I為電流），所以彼此獨立。經(jīng)典電動力學(xué)和量子電動力學(xué)（QED）理論均指出，電磁波角動量包括自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）［11］。自旋角動量表征了電磁波極化，OAM 則表征了電磁波的波包在空間中的旋轉(zhuǎn)特性。具有OAM 的電磁波又被稱為渦旋電磁波，攜帶不同OAM 模態(tài)的渦旋電磁波具備正交特性，利用該特性進(jìn)行無線傳輸可以極大地提升頻譜效率和傳輸容量。

OAM 可進(jìn)一步分為內(nèi)稟OAM（Intrinsic OAM）和外部OAM（Extrinsic OAM）［12-15］。電磁波從微觀上看是由大量電磁波量子構(gòu)成的，內(nèi)稟OAM 表征了電磁波量子波包針對其中心形成的OAM，外部OAM 則是針對定義的坐標(biāo)系形成的OAM。因此內(nèi)稟OAM 不會隨著外界空間坐標(biāo)系的不同而發(fā)生變化，但外部OAM 則會發(fā)生相應(yīng)變化。如果將地月系統(tǒng)比作電磁波量子，則地球自轉(zhuǎn)可表示自旋角動量，月球繞地球公轉(zhuǎn)表示內(nèi)稟OAM，地月系統(tǒng)繞太陽公轉(zhuǎn)表示外部OAM。

根據(jù)主要利用內(nèi)稟OAM 還是外部OAM，渦旋電磁波可分為量子態(tài)OAM 電磁波和統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波。量子態(tài)OAM 電磁波由內(nèi)稟OAM 不為零的渦旋電磁波量子構(gòu)成；統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波則是由內(nèi)稟OAM為零的大量平面電磁波量子統(tǒng)計構(gòu)建成具有螺旋相位面的渦旋波束形成，其實質(zhì)上利用的是電磁波量子的外部OAM。

量子態(tài)OAM 電磁波不能采用傳統(tǒng)天線（陣列）產(chǎn)生，需要通過專用裝置產(chǎn)生和檢測渦旋電磁波量子所攜帶的OAM 模態(tài)。量子態(tài)OAM 電磁波的理論基礎(chǔ)主要為量子力學(xué)和量子電動力學(xué)。由于利用的是電磁波量子的內(nèi)稟OAM，量子態(tài)OAM 本質(zhì)地反映了渦旋電磁波的OAM 物理特性，可利用OAM 物理量形成無線傳輸新維度，大幅提高頻譜效率，是從電磁波（光波）OAM被提出以來最重要的研究對象。

統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波可由OAM 專用天線或天線陣列產(chǎn)生。因為傳統(tǒng)天線只能輻射平面電磁波量子，形成平面波（球面波），所以微觀上看統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波是由大量不同相位的平面電磁波量子構(gòu)造出的具有正交螺旋相位面的波束，如圖1所示，即統(tǒng)計意義上的合成波束，其理論基礎(chǔ)主要來源于經(jīng)典電動力學(xué)。統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波發(fā)送和接收都是利用天線，所以直接測量的還是電磁波的電場強(qiáng)度，并不是OAM。只能通過電場強(qiáng)度來間接計算OAM 模態(tài)，造成統(tǒng)計態(tài)波束與空域的緊耦合，沒有真正體現(xiàn)出OAM 所具備的物理新維度特性。因此，對于統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波，一直有觀點認(rèn)為其可以被視為多天線MIMO的特例［17-18］。

圖1 渦旋電磁波相位面及其能量分布［19-20］

本文概述了電磁波OAM 傳輸技術(shù)發(fā)展歷史，強(qiáng)調(diào)了量子態(tài)OAM 電磁波和統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波概念內(nèi)涵的差別，介紹了基于量子態(tài)OAM 電磁波和統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波傳輸技術(shù)和通信體制，討論了相應(yīng)的信道容量，明確了渦旋電磁波OAM傳輸技術(shù)的主要優(yōu)點。

2 OAM傳輸技術(shù)發(fā)展歷史

OAM 最初主要被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域，即產(chǎn)生渦旋光子和渦旋光束。1989 年，Coullet 等人首次提出了渦旋光束的概念［21］。1992 年，Allen 等人理論證實了渦旋光束中存在OAM［22］，并在1994 年進(jìn)行了實驗佐證，利用光纖傳輸OAM 光束，實現(xiàn)了1.1 km，1.6 Tbit/s 的光信息傳輸［23］。2011 年，Bozinovic 等人通過2路OAM 光束復(fù)用的方式，實現(xiàn)了0.9 km 的光纖傳輸［24］。2012 年，該課題組在1.1 km 長度的光纖中實現(xiàn)了400 Gbit/s 速率的QPSK 調(diào)制的OAM 模式復(fù)用傳輸實驗，信道串?dāng)_小于-14.8 dB，多徑干擾小于-19.7 dB［25］。2015 年，Allen 課題組采用鍵控調(diào)制進(jìn)行傳輸（QPSK 調(diào)制，4 個OAM 模態(tài)），傳輸速率達(dá)100 Gbit/s［26］。

在射頻OAM 電磁波傳輸研究方面，1909 年P(guān)oynting 發(fā)現(xiàn)電磁波具有角動量，并可以分為自旋角動量和軌道角動量［27］。1996 年，Turnbull 借鑒光學(xué)OAM 波產(chǎn)生方法，利用螺旋相位板（SPP）在毫米波段產(chǎn)生了OAM 電磁波［28］。2007 年瑞典空間物理研究所B.Thidé 等人采用均勻環(huán)形陣列天線（UCA）對各陣子饋送不同相位，驗證了同樣可以產(chǎn)生攜帶軌道角動量的低頻電磁波（頻率低于1 GHz）［29］。2011 年，意大利Fabrizio Tamburini 等人設(shè)計了OAM 螺旋反射面天線，在2.4 GHz 頻點實現(xiàn)了對電磁波OAM 的產(chǎn)生與測量［30］，在442 m 的威尼斯湖面上完成了2 路不同OAM電磁波的傳輸實驗（DVB-S 數(shù)字視頻信號和FM 音頻信號）［31］。2013 年，Mahmouli F.E.等人采用螺旋相位板和全息幅度板2 種方式設(shè)計了60 GHz 頻點的OAM天線，并在400 mm 距離上實現(xiàn)了4 Gbit/s 視頻信號的傳輸［32］。2014 年，Yan Y.等人利用全空域接收方法在2.5 m距離復(fù)用傳輸8路28 GHz頻點信號（4種OAM 模態(tài)且每種模態(tài)2 種極化），傳輸速率達(dá)到32 Gbit/s［33］。2015 年，Rossella G.等人基于環(huán)形天線陣在40 m 距離傳輸了2路VHF波段的視頻信號［34］。

近年來，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也逐步開展了對渦旋電磁波傳輸與通信的研究。2016 年，浙江大學(xué)章獻(xiàn)民課題組在構(gòu)造螺旋相位板的同時加入了透鏡設(shè)計，降低了OAM 電磁波的波束發(fā)散角，并通過實驗驗證了該方法的有效性［35］。次年，該課題組在10 m 距離傳輸了4 路10 GHz 頻點的OAM 信號。后續(xù)該課題組詳細(xì)推導(dǎo)了環(huán)形行波諧振腔產(chǎn)生渦旋電磁波的天線設(shè)計方法，并進(jìn)行了實驗驗證。2016 年，清華大學(xué)航空宇航電子系統(tǒng)實驗室（航電實驗室）張超團(tuán)隊采用變換域思想，通過旋轉(zhuǎn)發(fā)射端的方式將OAM 拓?fù)浜蓽y量轉(zhuǎn)化為電磁波頻偏測量［36］。2017 年，進(jìn)一步提出了接收端虛擬旋轉(zhuǎn)方法以完成對OAM 模態(tài)的檢測。該實驗室在2016年成功完成微波頻段渦旋電磁波27.5 km 的地面?zhèn)鬏攲嶒灒?7］，并在此基礎(chǔ)上于2018 年完成了機(jī)載172 km傳輸實驗［38］。2018 年，南京大學(xué)馮一軍設(shè)計了反射型超表面用于產(chǎn)生OAM 渦旋場，利用超表面相位調(diào)制特性，實現(xiàn)了工作在Ku 波段可以產(chǎn)生特定錐角和OAM模態(tài)的超表面反射陣列［39］。

量子態(tài)OAM 電磁波的研究大都集中在微波頻段。由于單個微波量子能量遠(yuǎn)小于單個光量子，甚至在室溫條件下也遠(yuǎn)小于環(huán)境噪聲，因此微波量子的研究難度相對較大，尤其是針對單個微波量子的情形［40］。直到2007 年，Houck A.等人在低溫超導(dǎo)電路中完成了單個微波量子的產(chǎn)生和檢測［41］。2016 年，美國科羅拉多大學(xué)在超低溫環(huán)境下（<4 K）實現(xiàn)了操控單個微波量子。對于量子態(tài)微波的產(chǎn)生，2014 年，歐洲Porject8 工作組完成單電子回旋加速器輻射實驗，得到具有離散能量分布特性的電磁波，驗證了單電子回旋加速器輻射量子特性［42］。此外Sawant A.等人在2017 年通過仿真及實驗證明了回旋行波管中的相對論回旋電子束可以產(chǎn)生高階OAM 渦旋微波［43］。日本分子科學(xué)研究所的Katoh M.等人分別用理論和實驗證明波蕩器中的相對論回旋電子能輻射出渦旋電磁波［44，45］。2019 年，Bogdanov O.等人分別基于經(jīng)典電動力學(xué)和量子電動力學(xué)理論推導(dǎo)了磁場中相對論電子輻射的頻譜分布和OAM 譜分布［46-48］。2020 年清華大學(xué)航電實驗室分析了OAM 在渦旋電子輻射和耦合渦旋微波量子時的轉(zhuǎn)移過程［49］。通過理論推導(dǎo)說明在相對論情形下，渦旋電子所攜帶的OAM 可以在磁場中轉(zhuǎn)移到微波量子上，從而形成渦旋微波量子。與之相反，在一定條件下渦旋微波量子所攜帶的OAM 也可以轉(zhuǎn)移到與之耦合的電子上，從而形成渦旋電子。2021 年，清華大學(xué)航電實驗室完成了相應(yīng)的量子態(tài)OAM 電磁波傳輸實驗。

3 量子態(tài)與統(tǒng)計態(tài)OAM電磁波的概念內(nèi)涵

電磁波攜帶的角動量分為自旋角動量和軌道角動量，可以表示為：

式中：

J——總的角動量

L——軌道角動量

S——自旋角動量，表征電磁波的極化

根據(jù)電動力學(xué)理論，可以計算推導(dǎo)得到電磁波所具有的OAM為：

式中：

μ0——真空磁導(dǎo)率

ε0——真空介電常數(shù)

c——真空光速

r——空間坐標(biāo)

E——電場強(qiáng)度

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度

A——磁矢量勢

V——積分空間（電磁波所存在的空間）

dv——空間微元

r(e)、r(i)——電磁波量子內(nèi)部軌道原點到參考坐標(biāo)系距離矢量、空間任意一點到內(nèi)部軌道原點距離矢量，兩者之和即是總的位置矢量

由式（2）可以看到電磁波的OAM 與其積分空間、電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度有關(guān)。

根據(jù)式（2），電磁波攜帶的OAM 可以分為2 個部分，一個是隨外界坐標(biāo)的選取而發(fā)生變化的外部軌道角動量L(e)，另一部分則是不隨外界坐標(biāo)選取而變化內(nèi)稟軌道角動量L(i)。具備內(nèi)稟OAM 的電磁波量子稱為“渦旋電磁波量子”（比如在微波頻段，稱為“渦旋微波量子”），由此組成的電磁波便是量子態(tài)OAM 電磁波。由此可得，量子態(tài)OAM 電磁波與統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波最大的區(qū)別在于，組成量子態(tài)OAM 電磁波的電磁波量子是攜帶內(nèi)稟軌道角動量的渦旋電磁波量子。在微觀層面上，即使單個電磁波量子也具有內(nèi)稟OAM。而統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波只是利用了電磁波量子的外部OAM，需借助宏觀的波束賦型，由大量不同相位的平面電磁波量子構(gòu)造生成具有螺旋相位面的波束，正交模態(tài)的波束需共軸傳輸。由于統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波基本用天線產(chǎn)生和接收，所以組成波束的電磁波量子實際上還是平面電磁波量子，而不是渦旋電磁波量子。器中的相對論回旋電子能輻射出OAM電磁波。

對于量子態(tài)OAM 電磁波的接收檢測，由于組成量子態(tài)OAM 電磁波的是渦旋微波量子，可以利用OAM在渦旋微波量子與電子間的轉(zhuǎn)移過程。在接收端布置磁場，使OAM 從渦旋微波量子上轉(zhuǎn)移到電子上形成渦旋電子，繼而對渦旋電子進(jìn)行檢測便可以實現(xiàn)對OAM模態(tài)的識別和分離。

對于渦旋電子的檢測問題，其中一種方式為通過衍射圖像對其所攜帶的OAM 模態(tài)進(jìn)行分類識別。文獻(xiàn)［50］提出了采用單晶和多晶結(jié)構(gòu)薄膜，在磁場中對渦旋電子所攜帶的OAM 模態(tài)進(jìn)行檢測。不同的OAM模態(tài)將會形成不同的衍射圖像〔見圖2（b）〕，通過對衍射圖像的觀測可以實現(xiàn)對OAM 模態(tài)的識別。其中多晶結(jié)構(gòu)薄膜配合渦旋電子分選器可以用來實現(xiàn)復(fù)用OAM 模態(tài)的檢測分離。根據(jù)計算，該方法可以在厘米級的宏觀尺度上實現(xiàn)對不同OAM 模態(tài)渦旋電子的識別和分離，易于實現(xiàn)工程應(yīng)用。

Vincenzo Grillo 等人則基于OAM 渦旋電子束與磁性物質(zhì)相互作用的機(jī)理，提出并設(shè)計實現(xiàn)了一種基于納米尺度的衍射光柵全息圖裝置以實現(xiàn)對渦旋電子束攜帶OAM 模態(tài)成分的測量［63］。該實驗產(chǎn)生了OAM模態(tài)從-10 到10 的渦旋電子束，并用所設(shè)計的裝置對該電子束的OAM模態(tài)成分進(jìn)行了檢測和分析。

2018 年，蘭州中科院近代物理研究所相應(yīng)研究團(tuán)隊通過理論分析得出在磁場中攜帶OAM 的渦旋電子將會受到力的作用，且攜帶不同OAM 的渦旋電子束在磁場中的受力情況不同，因而加速度也不相同，從而

4 OAM電磁波傳輸技術(shù)和通信體制

4.1 量子態(tài)OAM電磁波

本節(jié)以微波頻段為例介紹量子態(tài)OAM 電磁波的產(chǎn)生和接收檢測以及應(yīng)用場景。

文獻(xiàn)［49］分析了OAM 在渦旋電子和微波量子的轉(zhuǎn)移過程，通過理論推導(dǎo)說明相對論情形下，OAM 可以在渦旋電子和微波量子之間通過磁場中相互作用進(jìn)行轉(zhuǎn)移。提出可以在相對論效應(yīng)下利用位于磁場中攜帶OAM 的回旋電子輻射出攜帶OAM 的渦旋微波量子，從而產(chǎn)生量子態(tài)OAM 電磁波。與之相關(guān)的，在前文中提到的Sawant A.等人用回旋行波管中的相對論回旋電子束在94.8 GHz 和98.6 GHz 頻點分別產(chǎn)生了OAM 模態(tài)數(shù)為5 和9 的OAM 電磁波。日本分子科學(xué)研究所的Katoh M.等人分別用理論和實驗證明波蕩具備不同的速度和運動軌跡，因此可以增加一個橫向磁場，并利用速度選擇器對攜帶不同OAM 的渦旋電子束進(jìn)行分離［63］，如圖2（d）所示。

圖2 渦旋電子原理示意圖

量子態(tài)OAM 電磁波傳輸通過渦旋微波量子的產(chǎn)生和檢測進(jìn)行通信，可以直接檢測渦旋微波量子所攜帶的OAM 模態(tài)。而量子態(tài)OAM 電磁波經(jīng)過反射、散射等情況后其所攜帶的OAM 模態(tài)數(shù)絕對值不變，因此可以適用于視距與非視距、近距離與長距離等各種場景。

4.2 統(tǒng)計態(tài)OAM電磁波

統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波可采用天線（陣列）發(fā)射和接收，所以發(fā)展較早且技術(shù)較成熟。下面主要介紹統(tǒng)計態(tài)OAM電磁波的產(chǎn)生和接收方法以及應(yīng)用場景。

統(tǒng)計態(tài)OAM電磁波的產(chǎn)生方法主要有以下5種。

a）螺旋相位板方式。螺旋相位板產(chǎn)生統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波的原理是通過相位板厚度的連續(xù)變化構(gòu)造一個不均勻相位延時結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示。當(dāng)平面波通過螺旋相位板時，由于不同位置的厚度和延時不一樣，平面波產(chǎn)生連續(xù)變化的相位，從而形成螺旋相位面波前［32，52］。該方式優(yōu)勢在于波束發(fā)散小和衰減低。缺點是設(shè)計定型后，其產(chǎn)生的OAM 模態(tài)單一固定，不能進(jìn)行改變。

圖3 統(tǒng)計態(tài)OAM電磁波的產(chǎn)生方法示意圖

b）螺旋反射面天線方式。螺旋反射面天線方式指的是將普通拋物面天線通過開槽等方式扭曲加工成螺旋狀的反射面天線，如圖3（b）所示。當(dāng)電磁波通過螺旋反射面天線發(fā)射時，由于其螺旋狀的反射面形狀將會使發(fā)射的電磁波具有螺旋相位波前，通過調(diào)整相應(yīng)參數(shù)可以獲得相應(yīng)模態(tài)的統(tǒng)計態(tài)OAM電磁波［53］。

c）衍射光柵方式。衍射光柵方式通過由平行細(xì)縫組成的光學(xué)結(jié)構(gòu)對入射波進(jìn)行衍射，形成衍射波，如圖3（c）所示。然后通過衍射波之間的干涉從而形成具備螺旋相位的統(tǒng)計態(tài)OAM電磁波［32，51］。

d）陣列天線方式。陣列天線產(chǎn)生統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波的基本原理是將天線陣列布置成環(huán)形形式，然后由不同位置的陣子饋送不同初始相位的平面波。不同陣子發(fā)射的具有不同相位的平面波疊加后便可以形成螺旋相位面的渦旋電磁波［29，54，55］。調(diào)整天線陣子初始相位，便可以產(chǎn)生不同模態(tài)的波束。比如典型的均勻環(huán)形陣列（UCA）方式，如圖3（d）所示，其優(yōu)點在于不需要復(fù)雜的天線設(shè)計，實現(xiàn)原理相對簡單。

e）超表面方式。超表面是一種超薄的二維陣列表面，由亞波長大小周期性排列的超材料諧振單元組成，它可以通過改變諧振單元的形狀和大小等參數(shù)來實現(xiàn)電磁波振幅或相位上的變化，如圖3（e）所示，因此可以應(yīng)用于統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波的產(chǎn)生［59-61］。超表面天線具有剖面低、饋電系統(tǒng)簡單和易于波束成形等優(yōu)點。目前用于產(chǎn)生OAM 波的超表面天線可分為4類：反射型超表面、透射型超表面、全息超表面和數(shù)字編碼型超表面。

在以上幾種統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波的產(chǎn)生方式中，螺旋相位板、螺旋反射面、衍射光柵方式是專為產(chǎn)生具備螺旋相位面的OAM 電磁波而設(shè)計，可以稱之為OAM 專用天線。而陣列天線、超表面方式則本質(zhì)上是天線的不同排布方式，屬于天線陣列。

統(tǒng)計態(tài)OAM電磁波的接收檢測方法主要有：

a）全相位面共軸接收?；驹硎窃诮邮斩瞬捎玫奶炀€或天線陣列覆蓋完整的相位面，共軸傳輸成為多模態(tài)復(fù)用和解復(fù)用的關(guān)鍵，非對準(zhǔn)情況下模態(tài)間干擾會很大。比如發(fā)送端采用螺旋相位板，則接收端采用與之厚度變化趨勢相反的螺旋相位板，覆蓋全相位面，使螺旋相位面恢復(fù)成平面波，也可以在接收端使用UCA天線［19］。

b）部分相位面接收。即根據(jù)不同OAM 模態(tài)的電磁波在天線間距相同的情況下相位差與模態(tài)數(shù)有關(guān)的原理，在接收端的環(huán)形相位面上布置天線陣列覆蓋部分弧段，完成對相位差的檢測繼而實現(xiàn)對不同OAM模態(tài)檢測和分離［19，62］。由于渦旋波束為倒錐狀發(fā)散波束，所以這種只檢測部分相位面的方法適用于渦旋波束的長（遠(yuǎn)）距離無線傳輸。

統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波的波束呈倒錐狀，而倒錐狀波束導(dǎo)致傳輸距離越長波束越發(fā)散，容量和距離產(chǎn)生矛盾。全相位面接收可支持大容量傳輸，但基本應(yīng)用于近距離點對點場景，比如6G中宏基站到微基站的中繼傳輸；部分相位面支持長距離傳輸，但是傳輸容量會隨部分相位面的比例下降。

5 量子態(tài)與統(tǒng)計態(tài)OAM電磁波傳輸信道容量

根據(jù)所使用的OAM 傳輸技術(shù)，可以將其信道容量分為4個區(qū)域［65］。

首先是采用量子態(tài)OAM 電磁波進(jìn)行傳輸。直接通過產(chǎn)生和檢測OAM 渦旋微波量子進(jìn)行通信，而OAM 是獨立于電場強(qiáng)度等傳統(tǒng)物理量之外的新維度，因此傳輸?shù)男诺廊萘靠梢猿^傳統(tǒng)多天線MIMO 的信道容量上界。該種方式對應(yīng)于圖4 中的A 區(qū)域。其上界為包含OAM維度的新MIMO容量界。

其次是統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波傳輸中采用專用OAM天線。統(tǒng)計態(tài)OAM 專用天線包括螺旋相位板、螺旋反射面、衍射光柵等。OAM 專用天線不同于傳統(tǒng)多天線MIMO，可以改變點對點傳輸信道。比如采用螺旋拋物面天線等統(tǒng)計態(tài)OAM 專用天線用于視距（Line of Sight，LoS）傳輸信道，改善了由于信道相關(guān)所帶來的信道矩陣降秩問題，容量接近于傳統(tǒng)多天線MIMO 系統(tǒng)的容量界。該種方式對應(yīng)于圖4中的B區(qū)域。

圖4 典型OAM傳輸技術(shù)信道容量區(qū)域劃分示意圖［67］

其三是統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波傳輸中不使用特殊天線，而是采用UCA 等天線陣列方式進(jìn)行發(fā)送和接收，此時明顯可以將其視為MIMO 系統(tǒng)的特例。在LoS 信道下，天線陣列OAM 電磁波傳輸方式的信道容量介于開環(huán)LoS-MIMO 系統(tǒng)和閉環(huán)LoS-MIMO 系統(tǒng)的信道容量之間。該種方式對應(yīng)于圖4 中的C 區(qū)域，僅具有復(fù)雜度的優(yōu)勢。

最后是在長（遠(yuǎn)）距離傳輸場景下，采用部分相位面接收檢測時，OAM 模態(tài)難以被正交分離，信道容量將會低于開環(huán)LoS 場景下的MIMO 容量界，部分相位面比例越低，信道容量下降越嚴(yán)重，對應(yīng)于圖4 中的D區(qū)域。

6 總結(jié)與展望

本文介紹了6G 中的潛在核心關(guān)鍵技術(shù)——渦旋電磁波軌道角動量傳輸技術(shù)，包括：簡要綜述了渦旋電磁波的發(fā)展歷史，明確了統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波和量子態(tài)OAM 電磁波的概念和區(qū)別，列舉了2 種OAM 電磁波傳輸技術(shù)對應(yīng)的產(chǎn)生和接收檢測方法以及其應(yīng)用場景，并對典型OAM 傳輸技術(shù)進(jìn)行了信道容量分析。說明了利用OAM 維度，可超越傳統(tǒng)多天線MIMO 容量界后形成含有OAM維度的新MIMO容量界。

對于統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波而言，其波束呈倒錐狀，僅能用于點對點LoS 環(huán)境傳輸，且面臨長距離傳輸后波束發(fā)散問題，該問題極大地限制了統(tǒng)計態(tài)OAM 波束在通信方面的應(yīng)用。如果能提出相應(yīng)方法實現(xiàn)統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波的波束匯聚，解決統(tǒng)計態(tài)OAM 電磁波長距離波束發(fā)散這一問題，將會大大拓展OAM 電磁波通信的應(yīng)用場景。

對于量子態(tài)OAM 電磁波而言，其調(diào)控裝置的小型化是關(guān)鍵問題。目前量子態(tài)OAM 渦旋電磁波的產(chǎn)生需要用到強(qiáng)磁場、真空電子器件等設(shè)施條件，這導(dǎo)致量子態(tài)OAM 調(diào)控裝置往往過于龐大和笨重，限制了應(yīng)用場景。因此如何能有效地將量子態(tài)OAM 電磁波的調(diào)控裝置小型化，是個頗具價值的研究方向，也是量子態(tài)OAM電磁波走向工程實用的關(guān)鍵。