涡旋电磁波无线通信技术的研究进展.docx
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涡旋电磁波无线通信技术的研究进展 涡旋电磁波无线通信技术是一种新兴的无线通信技术,它利用电磁波的轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)来实现大容量数据传输。在本文中,我们将对涡旋电磁波无线通信技术的研究进展进行综述,涵盖涡旋电磁波的理论基础、传播机理、应用场景、MIMO兼容性研究、演示验证等方面。 首先,我们需要了解电磁波的动量理论。电磁场(波)的动量可以由达朗贝尔(d'Alembert)方程确定,如式(1)所示。该式可以确定电磁波的矢量势 A 和标量势 ϕ。然后,我们可以根据洛伦兹(Lorentz)规范确定介质中电磁波的电场强度矢量 E 和磁场强度矢量 H,如式(2)所示。 在式(1)和式(2)中,∇ 是矢量微分运算子;jd 是天线阵子的激励电流密度,ρ 是电荷密度;ε 是传播介质的电介常数,μ 是传播介质的磁介常数。根据文献[18],我们可以确定电磁波的动量体密度,如式(3)所示。 g = εμE × H = Pκ / 2 其中,P 是电磁波的坡印廷矢量,κ 是介质中电磁波的传播速度。可以看到,在均匀介质中,电磁波的动量体密度 g 和电磁波的坡印廷矢量 P 是同向的[8,19]。 对式(3)两边关于时间求导数,我们可以得到式(4)所示的结果。 ∂g/∂t = [-μH × (∇×H) + εE × (∇×E) - E (∇⋅εE) - H (∇⋅μH)] - [ρE + jd × μH] 其中,第 1 个[⋅]项定义了电磁波的动量密度流,第 2 个[⋅]项定义了空间电荷所受电磁力的密度,物理学上将这种作用力称为功率密度[19]。 其次,我们需要了解电磁波的角动量。电磁波的角动量是其轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)的组成部分。根据文献[20],我们可以知道,漩涡状的龙卷风中具有“轴向”运动特性,其中水雾的运动就是其携带的角动量所致。 为了便于理解,不妨以图 1 所示的质点系进一步说明运动物质的角动量的功能。设图 1 中质点 1、质点 2 与质点 3 的质量分别为 m1、m2 与 m3,它们各自的运动速度为 v1、v2 与 v3,建立以观测点 O 为原点的 2 维坐标系,质点系的质心 c 有运动速度 vc,则该质点系的总角动量[21]为: J = rc × (∑i=1,3 mi)vc + ∑i=1,3 (r′i × mivi) = L + S 其中,L 是轨道角动量,S 是自旋角动量。式(6)说明质点(系)的动量是其角动量存在的前提;角动量中的自旋角动量 S 分量不以观测点 O 的位置变化而变化,因此 S 具有內禀性;角动量中的轨道角动量分量还取决于质点系的运动速度和质心的位置。 涡旋电磁波无线通信技术的应用场景非常广泛,涵盖了无线射频领域、MIMO 结合、演示验证等方面。在本文的后续章节中,我们将对涡旋电磁波无线通信技术的研究进展进行详细的介绍和分析。
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