宽带电磁涡旋的设计和实现
涡旋电磁波产生与接收的理论和方法研究
涡旋电磁波产生与接收的理论和方法研究涡旋电磁波产生与接收的理论和方法研究引言：电磁波是当今科技发展中的关键技术之一，广泛应用于通信、无线电、雷达、医疗等领域。
然而，传统的电磁波的产生与接收方式在某些特定场景下存在一定的限制，例如在室内复杂环境中，电磁波传播的路径受到多径效应的影响，导致传输效果变差。
因此，为了克服这些限制，涡旋电磁波成为了一种值得研究的新兴技术。
本文将探讨涡旋电磁波的产生与接收的理论和方法。
一、涡旋电磁波的概念和特点涡旋电磁波是指具有环状波前的电磁波。
与传统的平面波不同，涡旋电磁波的波前呈现螺旋状，波场在传播过程中具有自转的特点。
涡旋电磁波的特点如下：1. 丰富的自由度：涡旋电磁波具有幅度、相位、螺旋度等多个自由度，相比于传统的电磁波，其信息传输能力更强，具备更大的信息容量。
2. 螺旋度导致的自转效应：涡旋电磁波在传播过程中呈现自转的效应，与传统的电磁波相比，其传输距离更远，穿透能力更强。
3. 惯性自由度的应用：涡旋电磁波的惯性自由度可以被用于通信中的多维编码，进一步提高信息传输的可靠性和速率。
二、涡旋电磁波的产生方法涡旋电磁波的产生主要有以下几种方法：1. 相位调制方法：通过改变电磁波的相位分布，从而实现涡旋电磁波的产生。
常用的方法包括高斯光束与空间光调制器相互作用，使用空间光调制器将高斯光束分解成不同相位的分量，再进行相加。
2. 旋转装置法：利用旋转装置使电磁波的波前呈现螺旋状，从而产生涡旋电磁波。
常见的旋转装置包括液晶片、铺角棱镜等。
3. 自旋光源法：通过调控自旋光源的产生，实现涡旋电磁波的产生。
自旋光源通常通过激光器、光纤等构建，可以进一步利用量子力学原理，实现自线性光和环线性光的转换。
三、涡旋电磁波的接收方法涡旋电磁波的接收方法与产生方法类似，常用的方法包括： 1. 涡旋光学器件：利用涡旋光学器件，如涡旋相位板、涡旋偏振片等，将涡旋电磁波转换为传统的平面波，从而实现接收。
涡旋电磁波产生原理与仿真实现
极大提高通信容量。在导航方面，携带轨道角动量的电磁波
的中心能量为零，而两侧存在能量峰值，其辐射图呈现倒锥 状，且不同轨道角动量电磁波的波束角不同，可以将这些特 性与角度等参数建立联系，构成新的测速测角方法。在探测 方面，轨道角动量电磁波的波前呈现螺旋状，其探测的目标 反射特性必定具有新的特性，可以加以研究以弥补常规雷达 的缺点，而且可以利用轨道角动量电磁波进行雷达成像 [6]。
Etot = EaF (θ ,φ )
(2)
其中 Etot 表示总的电场辐射图， Ea 表示单个阵子的电
场强度辐射图， F (θ ,φ ) 表示全项阵子组成的天线阵列产生
的辐射图。该公式只在阵列中所有阵子都相同时成立。
2 数学原理
具有轨道角动量的电磁波场强可以表示为 U (ρ, z,ϕ) = A(ρ, z)eiϕ
为了简化，在计算中，采用点源代替真实天线尺寸参与 阵列因子的计算。下面计算 OAM 天线的阵列因子。如图 2 所示，假定 N 个各向同性的阵子沿着半径为 a 的圆环等间 (1) 距的分布在 xOy 平面上，则归一化方向图可以表示如下：
其中， ρ 表示柱面坐标的半径， z 表示探测平面与发射 源的垂直距离， ϕ 表示柱面坐标的方位角。对于平面电磁波
信息工程
涡旋电磁波产生原理与仿真实现
刘知房 （杭州第十四旋电磁波又称为具有轨道角动量的电磁波。常规球面电磁波，其能量由中心向外呈现辐射状，在以能量中心为原点的环形波束 上，其相位是一个固定值；而涡旋电磁波，其能量呈现环状，类似于面包圈形状，在以能量中心为原点的环形波束上，其相位呈现均匀分 布，环上任意两点之间存在相位梯度。目前产生涡旋电磁波的方式主要有两种：螺旋相位板和天线阵列。本文将分别从数学建模、理论推 导、仿真计算三个方面分别介绍两种产生方式，从而加深对两种产生方式的理解和运用。
多模态涡旋电磁波传播特性分析及其天线设计
环天线也是一种常见的涡旋电磁波天线，它由一个金属环构成，可以产生单一模态的涡旋电磁波。
环天线
单一模态涡旋电磁波天线设计
组合天线
组合天线由多个单一模态涡旋电磁波天线组合而成，可以同时产生多个模态的涡旋电磁波。
多元天线
多元天线由多个天线单元组成，每个天线单元可以产生不同的涡旋电磁波模态，从而实现多模态涡旋电磁波的辐射和接收。
03
通过实验验证了多模态涡旋电磁波天线的性能优越性，证明了研究成果的有效性和可行性。
研究中未能全面考虑多模态涡旋电磁波在复杂环境中的传播特性及影响因素，未来可以进一步拓展这方面的研究。
对于多模态涡旋电磁波天线的优化设计，还需要加强实验研究和测试，以进一步提高其性能和实用性。
可以进一步探索多模态涡旋电磁波在其他领域的应用，如通信、探测、导航等，为相关领域的发展提供新的思路和方法。
研究不足与展望
THANKS
谢谢您的观看
03
涡旋电磁波的聚焦特性
涡旋电磁波的传播方向
单一模态涡旋电磁波的电场分布
单一模态涡旋电磁波传播特性分析
多模态涡旋电磁波传播特性分析
要点三
多模态涡旋电磁波的产生
当一个较强的外磁场存在时，电子在磁场中运动，会同时产生左旋和右旋的涡旋电磁波。
要点一
要点二
多模态涡旋电磁波的传播方向
由于多模态涡旋电磁波是由不同旋转方向的涡旋波组成的，因此其传播方向也是复杂的。
研究现状与挑战
本研究将围绕多模态涡旋电磁波的传播特性展开深入研究，包括研究不同模态之间的耦合机制与调控方法；研究多模态涡旋电磁波的传播特性与衰减机制；研究多模态涡旋电磁波的天线设计方法与优化策略。研究方法包括基于麦克斯韦方程组建立多模态涡旋电磁波的数学模型；采用数值模拟方法对多模态涡旋电磁波的传播特性进行仿真和分析；设计并制备多模态涡旋电磁波天线并进行实验验证。
一种双频双模式涡旋微带阵列天线的设计
轨道角动量，圆形贴片，微带阵列天线，开槽，双频，双模式
Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
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3. 天线工作机理分析
贴片的几何形状很大程度上影响着微带天线表面的电流分布。“曲流”是指在贴片表面开槽使电流 流向和电流有效路径长度发生改变[13]。槽的形状和位置非常重要，因为槽可以被视为天线辐射表面上无 限薄的横向磁壁，电流可以从切口中流出，使得天线的谐振频率降低。设计中单元天线上表面开出的矩 形槽可以使天线产生不同的模态，有主模和沿槽边沿分布电流的其他模态，当边缘电流激励起的模态与
2. 天线结构设计
本文从圆形单元贴片入手研究其微带阵列天线的辐射特性，TM nm 模的圆形微带贴片半径由下式计 算[11]
a = KnmC
关于宽带电磁涡旋的设计与实现
关于宽带电磁涡旋的设计与实现作者：曹顺锋来源：《科学与信息化》2019年第07期摘要最近些年，随着科技的不断创新，超表面成为电磁超材料范围内探讨的热点和前沿，超表面是一种新型的人工设计出的超材料，能够在二维平面内操控电磁波的幅度、相位及极化方式，其中，相位梯度超表面的一个重要应用就是实现调控反射波的反射方向。
关键词宽带；电磁涡旋；设计；实现引言电磁波在传播时期间携带自旋角动量和轨道角动量。
前者涉及极化，后者与螺旋或扭曲的波前有关。
电磁涡旋波束多样化应用的理论研究和探索已经在光学领域首先被广泛报道，它们被称为光学涡旋光束，然后在较低频率领域如太赫兹，毫米波，微波和射频波段。
在电磁涡旋波束的各种新颖应用中，为高容量通信提供全新的数据复用机制的能力可能是最引人注目的。
电磁涡旋波束的特征在于由方位角相位e jm描述的螺旋波阵面，其中m为电磁涡旋模式数，是横向方位角。
在微波和毫米波频段内已经提出了诸多方法来生成电磁涡旋波束，如螺旋相位板或平板，圆形波导，相控阵天线。
然而，大多数报道的电磁涡旋波束发生器仅为特定的频率点而设计，这使得带宽非常有限，并限制了一些潜在的应用。
1 单元设计设计可以实现聚焦的超表面时，为了实现对反射电磁波的相位操控，单元对入射波反射相位的调控范围需要覆盖360°，采用中心频率在10GHz的双层贴片单元结构，正面加载方形金属贴片，上层贴片边长为a 1，下层贴片边长为a 2，且满足a 1=0.8a 2，背面涂覆金属铜，采用相对介电常数为2.65，每层厚度h=1.5mm的聚四氟乙烯玻璃布板作为介质基板，单元周期p=11mm，通过改变a 2的长度实现对反射波相位的控制。
利用仿真软件CST Microwave Studio 对参数a 2进行频域扫描，整条曲线变化较为平滑，相移范围接近400°，由于整个尺寸范围内相位曲线线性度较好，较小尺寸的偏移所造成的相位误差不大。
并且在8～12GHz范围内，相位曲线平行性较好[1]。
新型电磁涡轮机的研发与应用
新型电磁涡轮机的研发与应用随着科技的不断发展，各种先进技术也在不断涌现。
其中，新型电磁涡轮机就是一项非常有前途的技术。
那么，什么是电磁涡轮机呢？电磁涡轮机指的是利用电磁力驱动转子旋转的机器。
相比传统的涡轮机，电磁涡轮机具有体积小、重量轻、效率高等优点。
下面，本文将详细介绍新型电磁涡轮机的研发与应用。
一、电磁涡轮机的原理电磁涡轮机的工作原理是基于法拉第电磁感应定律和楞次定律，它由永磁轴承、转子、定子和控制系统组成。
当电流通过定子线圈时，产生的磁场会作用于转子上的导体，从而使转子旋转。
由于永磁轴承的存在，转子可以自由旋转，没有任何机械接触。
因此，电磁涡轮机具有无磨损、低噪音、低振动、高效率等优点。
二、新型电磁涡轮机的研发在目前的研发中，磁阻电磁涡轮机和高温超导电磁涡轮机是两个比较热门的方向。
1、磁阻电磁涡轮机磁阻电磁涡轮机是一种新型的涡轮机，其特点是利用磁阻的特殊性质代替变形阻尼器。
由于磁阻力比变形阻尼器具有更强的非线性，因此磁阻电磁涡轮机可以更加精确地控制转子的转速和转矩。
同时，磁阻电磁涡轮机还具有体积小、重量轻、成本低等优点。
2、高温超导电磁涡轮机高温超导电磁涡轮机是利用高温超导体替代普通导体，用于制造高效、高功率的电磁涡轮机。
相比普通导体，高温超导体具有更低的电阻和更高的电导率，从而可以显著提高涡轮机的效率。
此外，高温超导体还具有超导量子干涉效应等非常特殊的性质，可以制造出更加先进的电磁涡轮机。
三、电磁涡轮机的应用由于电磁涡轮机具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此在很多领域都有着广泛的应用。
下面，我们就来看看电磁涡轮机在哪些领域有着重要的应用。
1、风电领域在风力发电领域，电磁涡轮机可以用于控制风轮的转速和转矩，从而实现更高效率的发电。
同时，电磁涡轮机还可以用于制造直驱式发电机和叶轮泵等设备，大大提高了风电设备的可靠性和经济性。
2、船舶领域在船舶领域，电磁涡轮机可以用于控制船只的速度和转向。
由于电磁涡轮机的体积小、重量轻，因此可以更加方便地安装在船只上，从而提高了操纵的灵活性。
基于涡旋电磁波的无线通信抗干扰技术研究
基于涡旋电磁波的无线通信抗干扰技术研究基于涡旋电磁波的无线通信抗干扰技术研究一、引言随着无线通信的迅猛发展，无线通信系统面临着日益严峻的环境干扰问题。
干扰对于无线通信系统的性能和可靠性造成了很大的影响，因此研究如何提高无线通信系统的抗干扰能力成为了亟待解决的重要问题。
本文将针对无线通信系统的干扰问题，提出一种基于涡旋电磁波的抗干扰技术，为无线通信系统的抗干扰能力提供新的解决方案。
二、无线通信系统的干扰问题现代无线通信系统面临着多种干扰源，如天气、建筑物、电子设备等。
这些干扰源会导致信号衰减、传输速率降低、数据丢失等问题，严重影响了无线通信系统的性能和可靠性。
传统的抗干扰方法主要是通过信号处理算法和硬件过滤器来减小干扰信号对通信信号的影响，但这些方法存在着一定的局限性。
三、涡旋电磁波的特性与应用涡旋电磁波是一种新兴的电磁波形式，具有很强的抗干扰能力和传输稳定性。
涡旋电磁波的特点是电磁场呈涡旋状结构，在传播过程中能够抵御干扰信号的入侵，从而更好地保持信号的完整性。
涡旋电磁波具有广泛的应用领域，如雷达、通信、无线传感器网络等。
四、基于涡旋电磁波的无线通信抗干扰技术研究1. 涡旋电磁波的生成与传播：研究涡旋电磁波的生成机制和传播特性，找出最优的传播路径和参数配置，提高涡旋电磁波在无线通信系统中的利用效率。
2. 干扰检测与消除：利用涡旋电磁波的抗干扰能力，开发新的干扰检测与消除算法，降低干扰信号对通信信号的影响，提高系统的抗干扰能力。
3. 自适应调制技术：结合涡旋电磁波的特性，研究自适应调制技术，根据信道状况和干扰程度自动调整通信信号的传输速率和调制方式，提高系统的适应性和稳定性。
4. 系统优化与实验验证：通过理论模型和实验验证相结合的方式，优化涡旋电磁波的调制参数和传输路径，验证基于涡旋电磁波的无线通信抗干扰技术的有效性和可行性。
五、挑战与展望尽管基于涡旋电磁波的无线通信抗干扰技术具有很大的发展潜力，但仍面临着一些挑战。
产生太赫兹矢量涡旋波束的方法
产生太赫兹矢量涡旋波束的方法以下是 7 条关于产生太赫兹矢量涡旋波束的方法：1. 你知道利用特殊设计的天线来产生太赫兹矢量涡旋波束吗？就像在广阔的天空中，天线就是那神奇的魔杖，指挥着波束的“舞蹈”。
比如说，在实验室里，我们通过精心制作的天线，成功地让太赫兹波束开始了奇特的“旋转之旅”！2. 有没有想过用相位调制技术呀！这就好比给波束穿上了一件特别的“外衣”，让它呈现出美妙的漩涡形态。
哎呀呀，就如同我们在操控一场神奇的光影秀，通过精确的相位调制，太赫兹矢量涡旋波束就这样华丽地诞生啦，多有意思！3. 嘿，三阶非线性光学过程也是可以产生的哟！这就像是一场神奇的化学反应，让波束发生奇妙的转变。
有次看到研究人员利用这个方法，哇塞，简直像打开了一道神秘的大门，太赫兹矢量涡旋波束就这样出现了！4. 考虑一下光学谐振腔呀！那简直就是产生太赫兹矢量涡旋波束的绝佳“摇篮”。
你想想，就像宝宝在温暖舒适的摇篮里慢慢成长一样，波束在光学谐振腔里逐渐形成那独特的涡旋形状，是不是很神奇呢？5. 利用等离子体来产生怎么样？嘿嘿，这可真是标新立异的方法呢！就好像是给波束注入了强大的能量，使其在等离子体的世界里尽情地“翻滚”。
记得有一次看到实验中那绚烂的现象，哇，太赫兹矢量涡旋波束就这么霸气地出现了！6. 还有超材料呢，可别小瞧它呀！它就如同一个万能的魔法道具，能帮助我们实现产生太赫兹矢量涡旋波束的愿望。
你能想象吗，通过对超材料的精心运用，太赫兹波束开始了令人惊叹的“变形之旅”！7. 光子晶体也能担此大任哟！这就如同搭积木一样，巧妙地组合就能让太赫兹矢量涡旋波束现身啦。
记得在书上看到过相关的例子，真的是让人对这种方法刮目相看呢！我的观点结论：产生太赫兹矢量涡旋波束的方法多种多样，每一种都充满了新奇和挑战，人类的智慧真是无穷无尽呀！。
电磁涡旋通信技术发展与现状
收稿日期：２０１７ １２ ２７；修回日期：２０１８ ０４ ２５；网络优先出版日期：２０１８ ０６ ２０。 网 络 优 先 出 版 地 址 ：ｈｔｔｐ：∥ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２４２２．ＴＮ．２０１８０６２０．１３４０．０２４．ｈｔｍｌ 基 金 项 目 ：国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （８６３ 计 划 ）（２０１５ＡＡ７１２４０５７Ｂ）资 助 课 题
常 青 ，林 川 ，李 显 旭
（北京航空航天大学电子与信息工程学院，北京 １００１９１）
摘 要：２０１１ 年 ，瑞 典 和 意 大 利 的 科 研 人 员 第 一 次 实 现 了 利 用 传 统 电 磁 波 和 涡 旋 电 磁 波 在 相 同 频 点 进 行 无 线 通 信 的 实 验 并 取 得 了 成 功 ，被 《自 然 》杂 志 誉 为 具 有 革 命 性 的 创 新 技 术 。 虽 然 携 带 轨 道 角 动 量 的 电 磁 涡 旋 通 信 技 术 目 前 仍 有 争 议 ，但 科 研 人 员 仍 致 力 于 涡 旋 电 磁 提 高 通 信 系 统 容 量 的 研 究 。 对 涡 旋 电 磁 通 信 的 基 本 原 理 进 行 了 阐 释 ，对 该 技 术 的 发 展 历 史 及 现 状 进 行 了 详 细 的 论 述 ，并 展 望 了 电 磁 涡 旋 技 术 的未来发展。
提升通信系统的 频 谱 效 率［２］，为 无 线 通 信 超 谱 调 制 提 供 了 一种全新的实现方案。
１ 电 磁 涡 旋 基 本 原 理
关于粒子轨道角动量的研究首先在光学领域展开并取 得 了 一 系 列 研 究 成 果 。 直 到 近 十 几 年 ，人 们 才 将 目 光 陆 续 转 向 无 电 领 域 。 根 据“光 也 是 一 种 电 磁 波 ”的 结 论 ，人 们 希 望 轨道角动量在光学领域取得的成功能应用于无线电通信。
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电磁波在传播时同时携带自旋角动量和轨道角 经在光学领域首先被广泛报道[1-5]，它们被称为光学涡
动量。前者涉及极化，后者与螺旋或扭曲的波前有 旋光束，然后在较低频率领域如太赫兹[6]，毫米波 ， [7]
关。电磁涡旋波束多样化应用的理论研究和探索已 微波 和 [8] 射频波段 。 [9] 在电磁涡旋波束的各种新颖应
Academy of Sciences，Beijing 100864，China）
Abstract: Generation of broadband electromagnetic vortex beams operating from 53 to 70 GHz，leading to a fractional bandwidth of 27.6% ，based on a reflection- type dielectric metasurface is proposed. Resonant dielectric elements with high refractive index located on a substrate with low refractive index are adopted in this design. The metasurface is able to induce polarization conversion between reflected and incident waves. By tuning dimensions of the high- refractive- index dielectric elements，phase shift from 0 to 2π can be obtained between reflected and incident waves. Further appropriate adjustment of the dielectric elements dimensions can render the phase difference between different elements largely unchanged in a broad bandwidth from 53 to 70 GHz，offering the ability of producing broadband millimeter wave electromagnetic vortex. Figure of merit such as polarization conversion efficiency and mode spectrum are applied to quantitatively evaluate the quality of the generated electromagnetic vortex beams. Higher- order electromagnetic vortex beam generators are also investigated. Simulation and experiment results demonstrate the validity of the proposed structure. Key words: broadband metasurface；dielectric metasurface；millimeter wave metasurface；electromag⁃
收稿日期：2018-03-26 稿件编号：201803220
用 中 ，为 高 容 量 通 信 提 供 全 新 的 数 据 复 用 机 制 的 能
基金项目：国家自然科学基金项目（61701305）
作者简介：毕 凡（1993—），男，天津人，硕士研究生。研究方向：毫米波天线设计。 - 84 -
毕 凡 宽带电磁涡旋的设计和实现
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2019）01-0084-05
Design and implementation of broadband electromagnetic vortex
BI Fan1，2，3 （1. Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200050，China；2. ShanghaiTech University，Shanghai 201210，China；3. University of Chinese
摘要：提出了基于反射型电介质超表面的宽带电磁涡旋波束发生器，它工作在 53~70 GHz 频段范
围内，相对带宽达到了 27.6％。本设计采用折射率较高的电介质元件位于低折射率基板上。超表
面能够引起反射波和入射波之间的偏振转换。通过调整高折射率电介质元件的尺寸，可以在反射
波与入射波之间获得从 0 到 2π的相移。电介质元件尺寸的进一步适当调整可以使得不同元件之
间的相位差在 53~70 GHz 的带宽内基本不变，从而提供产生宽带毫米波电磁涡旋的能力。应用偏
振பைடு நூலகம்换效率和模式频谱等品质因数来定量评估生成的电磁涡旋波束的质量。还研究了更高阶的
电磁涡旋波束发生器。实验结果证明了该结构的有效性。
关键词：宽带超表面；电介质超表面；毫米波超表面；电磁涡旋
中图分类号：TN822+.8
第 27 卷 第 1 期 Vol.27 No.1
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2019 年 1 月 Jan. 2019
宽带电磁涡旋的设计和实现
毕 凡 1，2，3
（1.中科院上海微系统与技术研究所 上海 200050；2.上海科技大学 上海 201210； 3.中国科学院大学 北京 100864）
力 可 能 是 最 引 人 注 目 的 ，并 且 已 经 引 起 了 广 泛 的 兴 趣 。 [10-11] 电磁涡旋波束的特征在于由方位角相位 ejmϕ 描述的螺旋波阵面，其中 m 为电磁涡旋模式数，ϕ是 横向方位角。在微波和毫米波频段内已经提出了诸 多 方 法 来 生 成 电 磁 涡 旋 波 束 ，如 螺 旋 相 位 板[12]或 平 板[13]，圆形波导[14]，相控阵天线 。 [15]