新型電磁波：清華大學(xué)完成27.5公里微波測(cè)量實(shí)驗(yàn) 系世界首次

2017-02-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

【文/觀察者網(wǎng)】觀察者網(wǎng)近日從清華大學(xué)航天航空學(xué)院航電實(shí)驗(yàn)室獲悉,2016年12月,該實(shí)驗(yàn)室成功完成世界首次微波頻段軌道角動(dòng)量(OAM)電磁波27.5公里長(zhǎng)距離傳輸實(shí)驗(yàn)。此前公開報(bào)道顯示,國外類似實(shí)驗(yàn)基本沒有超過1公里。

該實(shí)驗(yàn)由清華大學(xué)航電實(shí)驗(yàn)室承擔(dān),同時(shí)獲得了中國航天科工集團(tuán)二院二部、北京遙感設(shè)備研究所等相關(guān)單位的大力支持。微波頻段OAM電磁波長(zhǎng)距離傳輸實(shí)驗(yàn)成功不僅標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域的研究水平已經(jīng)躍居國際前列,自主創(chuàng)新成果達(dá)到世界領(lǐng)先水平,而且為我國未來長(zhǎng)距離大容量OAM電磁波空間傳輸研發(fā)奠定了關(guān)鍵理論和技術(shù)基礎(chǔ),從此開創(chuàng)了我國在國際上引領(lǐng)長(zhǎng)距離電磁波軌道角動(dòng)量傳輸研究和發(fā)展的新局面。

什么是軌道角動(dòng)量電磁波?

軌道角動(dòng)量電磁波顧名思義是具有軌道角動(dòng)量的電磁波(普通平面電磁波軌道角動(dòng)量為零),又稱渦旋電磁波。這種電磁波具有螺旋相位面(如圖1,OAM波的波前方向與傳播軸呈螺旋狀)。因?yàn)橥l率電磁波擁有不同軌道角動(dòng)量(即不同的螺旋相位面)可以正交傳輸,互不干擾,所以近年來軌道角動(dòng)量被認(rèn)為是電磁波新的維度空間,用以增加信道容量,使得電磁波攜帶信息的能力大幅提高。

清華大學(xué)完成27.5公里微波測(cè)量實(shí)驗(yàn) 系世界首次

圖1軌道角動(dòng)量電磁波與常規(guī)電磁波示意圖

目前大家常用的移動(dòng)通信(2G、3G、4G,甚至未來的5G)、廣播電視、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航等均可認(rèn)為是利用的是平面電磁波(球面波的遠(yuǎn)距離近似),其等相位面與傳播軸垂直。這樣的電磁波自100多年前馬可尼首次利用無線電波進(jìn)行無線通信開始便加以利用,時(shí)至今日仍無多大變化,接收時(shí)主要用天線接收電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度,進(jìn)而由電場(chǎng)強(qiáng)度的變化引入頻率,變化的先后引入相位。能利用的維度一直局限于時(shí)間域、頻率域、空域、碼域、功率域,即使不久的將來要布設(shè)的第五代(5G)移動(dòng)通信,也沒有超出以上域的限制。根據(jù)信息論中著名的香農(nóng)公式可以看出,如果沒有產(chǎn)生新的域的話,信道容量的提升將變得非常困難。

專家對(duì)觀察者網(wǎng)指出,目前人類對(duì)電磁波的了解和利用還非常的粗淺,就如同汪洋大海中只認(rèn)識(shí)了一個(gè)小水洼。電磁波軌道角動(dòng)量就是區(qū)別于電場(chǎng)強(qiáng)度的又一個(gè)物理量,如果能將該物理量善加利用,則可以大幅度地提升電磁波的傳輸和探測(cè)能力。

普通電磁波軌道角動(dòng)量長(zhǎng)距離傳輸技術(shù)

世界上開始關(guān)注電磁波軌道角動(dòng)量是從光領(lǐng)域開始的,1992年美國科學(xué)家Allen等人根據(jù)麥克斯韋方程組證明了光學(xué)渦旋在近軸傳播時(shí)具有確定的軌道角動(dòng)量,該結(jié)論提出后得到了各國科學(xué)家大量關(guān)注。目前已經(jīng)有自由空間光傳輸最高紀(jì)錄已經(jīng)達(dá)到143公里(奧地利),傳輸容量超過Gbps(德國)的公開報(bào)道。

從應(yīng)用的角度看,普通電磁波(頻率低于300GHz)已經(jīng)大量應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、探測(cè)領(lǐng)域,如果能在普通電磁波領(lǐng)域獲得長(zhǎng)距離大容量OAM的傳輸能力,其結(jié)果將十分誘人。然而,由于普通軌道角動(dòng)量電磁波波束更加發(fā)散,且波束中心存在凹陷(中心能量為零),整個(gè)軌道角動(dòng)量電磁波波束呈現(xiàn)中空的倒錐形,且隨著傳輸距離的增大,環(huán)形波束的半徑越來越大。對(duì)這種電磁波的接收,現(xiàn)有的方法是采用一個(gè)大口徑的天線(或天線陣)將整個(gè)環(huán)形波束接收下來。隨著傳輸距離增大,所需接收天線尺寸也越來越大。這種接收方法在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)變得異常困難,比如10公里的傳輸,天線口徑將達(dá)到100米以上;100公里的傳輸,則需要1km半徑天線!

從文獻(xiàn)報(bào)道中能看到的該領(lǐng)域進(jìn)展十分有限,2007年瑞典空間物理研究所科學(xué)家B.Thide等人通過天線陣列的數(shù)值仿真驗(yàn)證了低頻電磁波(頻率低于1GHz)同樣可以產(chǎn)生軌道角動(dòng)量。2011年,意大利帕多瓦大學(xué)學(xué)者Fabrizio Tamburini等人利用在2.4GHz頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波OAM的產(chǎn)生與測(cè)量,在442米的威尼斯湖面上實(shí)現(xiàn)了OAM電磁波傳輸。之后的一些零星公開報(bào)道顯示普通電磁波OAM傳輸實(shí)驗(yàn)基本沒有超過1公里。

中國此次實(shí)驗(yàn)的技術(shù)創(chuàng)新與突破

清華大學(xué)航電實(shí)驗(yàn)室對(duì)觀察者網(wǎng)表示,經(jīng)過3年時(shí)間潛心研究,提出了一套僅利用部分波陣面接收的電磁波軌道角動(dòng)量的傳輸方法,可在空間中有限區(qū)域?qū)崿F(xiàn)電磁波不同軌道角動(dòng)量模式的檢測(cè)和區(qū)分,突破了普通軌道角動(dòng)量電磁波長(zhǎng)距離傳輸?shù)睦碚摵完P(guān)鍵技術(shù)。為了驗(yàn)證這種部分接收方法長(zhǎng)距離傳輸?shù)挠行?實(shí)驗(yàn)室于2016年底前,先后成功完成1公里傳輸(昌平虎峪)、7.3公里傳輸(清華大學(xué)至百望山)、13.6公里傳輸(清華大學(xué)至香山),以及此次的27.5公里傳輸(10GHz,清華大學(xué)至千靈山)。目前,清華大學(xué)航電實(shí)驗(yàn)室正在聯(lián)合有關(guān)單位,進(jìn)行距離超過100公里的長(zhǎng)距離傳輸實(shí)驗(yàn)。

該領(lǐng)域權(quán)威專家對(duì)觀察者強(qiáng)調(diào),中國此次完成世界首次微波頻段軌道角動(dòng)量電磁波長(zhǎng)距離傳輸實(shí)驗(yàn)對(duì)未來OAM電磁波發(fā)展應(yīng)用有十分重要和積極的意義,特別是在未來空間長(zhǎng)距離電磁波通信、導(dǎo)航、探測(cè),以及下一代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展,提供了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的理論和技術(shù)儲(chǔ)備。另外,電磁波OAM量子態(tài)最近也被大家廣泛關(guān)注,OAM量子態(tài)具有很多普通量子態(tài)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)距離傳輸實(shí)驗(yàn)成功也為未來微波量子OAM態(tài)的長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用提供了有益的思路。

(中華網(wǎng))

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