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图 1 PEC-PMC超表面示意图
Figure 1.
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图 2 实验测量装置图
Figure 2.
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图 3 环形孔超表面示意图
Figure 3.
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图 4 超表面的几何结构俯视图
Figure 4.
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图 5 多径信道系统模型示意图
Figure 5.
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图 6 OAM多径效应镜面反射模型示意图[47]
Figure 6.
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图 7 OAM-MDM系统示意图
Figure 7.
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图 8 复用与解复用示意图
Figure 8.
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图 9 天线UCA示意图
Figure 9.
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特性 基本原理 潜在应用 正交性 任意两个整数阶模态的OAM波束互相正交，构成无穷维希尔伯特空间 提升系统频谱效率 发散性 随着距离和OAM阶数的增加，OAM波束发散程度加剧 – 稳定性 OAM的相位结构与传输距离无关[26]；当拓扑电荷为整数时相位奇点处场强为零，并且随着传播距离增加，中心对称的场强分布保持稳定。 实现长距离传输 反射性 OAM涡旋波束经过镜面反射只改变旋转方向不影响波前相位结构 有利于分析多径效应
对传输系统的影响安全性 受到角度限制和横向偏移的影响，在传输过程中对信号的抽样检测存在不确定性[9]，可有效防止信息被窃取。 更高编码强度，实现高容量高保密性通信[27] 多维量子纠缠 单光子或纠缠光子可用于量子信息处理，非整数模态OAM模态可以分解为整数OAM模态的线性叠加；纠缠的量子态不可分离[28]。 表 1 电磁涡旋特性
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产生方式 生成原理 典型代表 优缺点 应用 透射光栅结构 利用干涉条纹产生的交叉错位结果得到的叉形光栅生成相位全息图，结合计算机仿真数据制作相位全息面。 空间光调制器 成本低、转换速度快、可工作在任意频率、系统复杂度较低；但是仅能实现单模态和非纯模态的生成、器件实现较复杂。 可用于毫米波频段产生OAM波束，通过空间复用提高频谱效率。 透射螺旋结构 波束透过厚度$h$随中心旋转方位角$\phi $比例变化的相位板，产生相位差随厚度变化的透射电磁波。 单阶梯型螺旋相位板多阶梯型螺旋相位板多孔型螺旋相位板 成本低、转换效率高、系统复杂度较低；但是仅能在单点频率上实现单模态转换，并且器件转换过程较复杂。 可用于实现高容量、高频谱效率的毫米波和太赫兹通信。 透射反射面 波束入射到非平面螺旋结构的不同区域，导致波束相邻部分存在相对延迟。 阶梯型反射面
螺旋抛物面天线成本低、系统复杂度较低、转换效率和转换速度正常；但是仅能在单点频率上生成单模态和非纯模态，并且实现过程较复杂。 通过OAM编码技术实现同频宽带干扰和地面反射干扰的鲁棒性传输。 天线阵列 为各阵列单元馈送相同信号，通过改变阵元间馈电相位差产生不同的模态。 圆形相控阵列时间开关阵列巴特勒矩阵馈电阵列光实时延时天线阵列 可在所有频率范围内生成多个模态和相反模态，器件制作较容易，转换速度和效率一般；但是成本高、系统复杂度较高。 可对携带OAM的射频信号进行多路复用和解复用，增加系统容量和效率。 q-板 在普通介质材料上加工特定几何形状的凹槽形成一种非均匀双折射结构。 – 成本低、系统复杂度较低、转换速度一般；但是仅能在单点频率处生成单模态，实现过程也较复杂。 可用于100 GHz毫米波OAM波束的产生和检测[30]。 表 2 典型OAM产生方法与分类
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表 3 基于超表面的电磁涡旋产生方法比较
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检测方法 结构 基本原理 优缺点 结果 单点法 – 利用OAM远场近似，对检测点上电场和磁场的
所有3个分量进行模式分析，计算得出
在空间特定点上的拓扑电荷值。成本低、系统复杂度较低；需对整个波前进行采样；适用于单模态和较低模态的检测。 – 相位梯度法 – 检测两点间相位梯度，通过螺旋相位结构判定OAM模态。 成本低、系统复杂度较低；仅需分析波前上的两个采样点，适用于单模态检测。 – 多环谐振器OAM
天线经验模式分解 电磁波的基础可以由经验模式分解中的固有模式函数构成，由此定义每个局部拓扑电荷。 能够检测叠加态。 检测了-2和3的叠加态 数字虚拟旋转
天线接收天线高速采样示波器频谱分析仪 根据旋转多普勒频移和OAM模态之间的关系确定OAM模态。 系统较复杂；适用于检测单个模态。 检测了1, 2, 4共3个单模态 衍射模式转换器 OAM模式转换器，接收天线 SPP板产生不同模态涡旋波束；模式转换器将涡旋波束映射为平面波，通过透镜聚焦产生横向光斑，最后接收。 成本较低；需检测整个波前，但是适用于单模态和叠加态的检测。 检测了–3到3共7个单模态和两个叠加态 全息超表面 全息超表面 超表面将OAM波束转换为高斯波束，通过定位高斯波束在设定位置处的场强确定入射OAM模态。 系统复杂度较低；成本高、器件实现较复杂；适用于多个单模态的检测。 检测了–2到2共5个单模态 部分孔径取样接收法 – 将光学中用于OAM解复用的偏角接收孔径法和采样接收法结合。 仅需对部分波前进行采样，以检测多个模态；成本高； – 均匀圆形天线
阵列对接收到的电磁涡旋进行频谱分析。 可检测相反模态和但，模态；成本高，需对整个波前采样，系统复杂度高。 表 4 典型的OAM检测方法
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通信类型 频谱利用率(bps/Hz) 传输速率(Mbps) 调制方式 OAM 95.5 2560 16-QAM[16] LTE 16.32 326.4 64-QAM 表 5 OAM与LTE传输速率和频谱利用率比较
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表 6 不同传输实验比较
图共
9 个 表共
6 个
