渦旋電磁
關(guān)注創(chuàng)建者：寒寒boy 創(chuàng)建時(shí)間：2018-01-19
渦旋電磁的實(shí)例教程
無線通信主要建立在平面電磁波上，已充分利用時(shí)域、頻域、碼域、空域和極化域這些復(fù)用維度來提高頻譜效率。為了獲得更高的頻譜效率，業(yè)界在不斷嘗試從電磁波的物理特性入手來實(shí)現(xiàn)信息傳輸方式的突破，比如軌道角動(dòng)量技術(shù)。近年來，軌道角動(dòng)量一直是無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
今天就給大家分享一個(gè)將軌道角動(dòng)量與毫米波技術(shù)相結(jié)合的基于介質(zhì)諧振器的軌道角動(dòng)量天線設(shè)計(jì)，非常具有實(shí)用性。這個(gè)設(shè)計(jì)建立了天線的等效模型，推導(dǎo)了其輻射場(chǎng)的理論表達(dá)，討論了介質(zhì)諧振器半徑對(duì)渦旋波電磁波模態(tài)的影響，通過仿真結(jié)果表明，該天線在波段有四個(gè)諧振點(diǎn)，能夠分別產(chǎn)生模態(tài)的渦旋電磁波。此外，該天線結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，增益良好，具有較高的天線效率，產(chǎn)生的各個(gè)模態(tài)的渦旋電磁波都具有良好的旋轉(zhuǎn)性，能夠獲得較強(qiáng)的抗干擾能力，為軌道角動(dòng)量在毫米波頻段的應(yīng)用提供了一定的現(xiàn)實(shí)意義。
天線設(shè)計(jì)
該天線設(shè)計(jì)了一種介質(zhì)諧振器天線，天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3(a)是天線的三維結(jié)構(gòu)圖，可以看到該天線是由一個(gè)介質(zhì)諧振器，一條微帶線，一層介質(zhì)基板和一個(gè)接地面構(gòu)成，圖3(b)是天線俯視圖。
仿真結(jié)果分析
天線的S參數(shù)能夠準(zhǔn)確反映電磁波傳遞過程種的反射情況。如圖7所示是該天線的S參數(shù)仿真結(jié)果，可以看到，S參數(shù)有多次下降，表明這些頻率的波耦合進(jìn)了諧振器當(dāng)中，但并不是所有都是OAM模式。在28GHz~36GHz之間，該天線產(chǎn)生了4個(gè)諧振點(diǎn)，能夠產(chǎn)生的OAM模態(tài)。分別是：在29.6GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)，在30.6GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)，在32.2GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)，在35.1GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)。圖8是該天線電壓駐波比的仿真結(jié)果，可以看到在四個(gè)諧振點(diǎn)處的VSWR幾乎達(dá)到1，在天線的工作頻段28GHz~36GHz之間匹配良好。
展開 專家針對(duì)電磁波的傳播原理入手，于是軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum, OAM）通信技術(shù)被提了出來。
圖源 | 通信學(xué)報(bào)《軌道角動(dòng)量通信技術(shù)的研究》論文
由于5G電磁波的傳播范圍較短，因此需要更大功率的信號(hào)發(fā)射裝置。5G基站應(yīng)用了相控陣技術(shù)，通過調(diào)整不同天線發(fā)射的電磁波參數(shù)，讓不同波形相互干涉制造能量更大的波峰，以此提升信號(hào)傳播范圍。6G新技術(shù)也利用了電磁波相互干涉的原理，只不過這次的目的主要是復(fù)用空間，而不是加強(qiáng)傳播距離。
這里放一段《渦旋電磁波軌道角動(dòng)量傳輸技術(shù)》（《郵電設(shè)計(jì)技術(shù)》2022年1月13日 謝翔東，何耀宇，張超）論文中關(guān)于軌道角動(dòng)量（OAM）的解釋：OAM是電磁波的固有物理屬性，OAM的物理量綱（ML2T-1）和電場(chǎng)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(dú)立。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)（QED）理論均指出，電磁波角動(dòng)量包括自旋角動(dòng)量（SAM）和軌道角動(dòng)量（OAM）。自旋角動(dòng)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。
好了，我們直接跳過這段，來簡單理解一下。
軌道角動(dòng)量通信技術(shù)是一種基于電磁波自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的新型通信技術(shù)。電磁輻射既攜帶線動(dòng)量也攜帶角動(dòng)量，可以理解為在往前走的時(shí)候還自轉(zhuǎn)，軌道角動(dòng)量即電磁波“自轉(zhuǎn)”的動(dòng)量。攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁波也被稱為渦旋電磁波。因此，在正常的電磁波中添加相位旋轉(zhuǎn)因子，電磁波就不再是平面結(jié)構(gòu)，而是繞著波束傳播方向旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出一種螺旋的相位結(jié)構(gòu)。
展開 經(jīng)典電磁理論指出，電磁輻射不僅攜帶線性動(dòng)量，還有可能攜帶角動(dòng)量。對(duì)光波而言，角動(dòng)量和線性動(dòng)量之間的關(guān)系可簡單地表示為L =r +p ,其中表示角動(dòng)量，r表示光子的位置矢量，p =mv 表示線性動(dòng)量。角動(dòng)量可分為自旋角動(dòng)量SAM和軌道角動(dòng)量OAM兩部分，用S和J分別表示他們，則L可以表示為：
L = S + J
對(duì)于線極化光波，有S=0，在考慮傳播方向上的角動(dòng)量時(shí)，如z軸，它與x、y平面上的線性動(dòng)量有關(guān)。p =mv =ε_(tái)0 E xB ,E和B分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)。因此，對(duì)于TEM波而言，不論是圓極化波還是線極化波，其電場(chǎng)與磁場(chǎng)均存在于x、y平面內(nèi)， 線性動(dòng)量p平行于z軸，因此在傳播方向上不會(huì)有角動(dòng)量產(chǎn)生。這表明，在傳播方向上，如果沒有電場(chǎng)或者磁場(chǎng)的分布則角動(dòng)量也不會(huì)產(chǎn)生。實(shí)際情況下，由于有限性的限制，TEM波是不存在的，軸向場(chǎng)總是存在，因此電磁輻射總會(huì)伴隨著角動(dòng)量的傳輸。如圖1所示，渦旋波的坡印廷矢量放向不是沿著z軸直線傳播，而是呈現(xiàn)“螺旋上升”的形式。
圖1渦旋電磁波坡印廷矢量變化示意圖
圖2 不同結(jié)構(gòu)偶極子圓環(huán)陣
采用線極化的偶極子進(jìn)行圓環(huán)排布，是得到渦旋波的常用方法，圖2給出了（a）放射狀結(jié)構(gòu)，（b）切線結(jié)構(gòu)和（c）均衡結(jié)構(gòu)的三種排布方式。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于相同的陣元個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)相同的軌道角動(dòng)量模式數(shù)時(shí)，沿一個(gè)方向放置的陣列比射線放置和切線放置的陣列所輻射的波束更準(zhǔn)直，且有更少的副瓣和更強(qiáng)的輻射強(qiáng)度，并且，用陣列方法產(chǎn)生渦旋電磁波時(shí)，各陣元的極化方式必須相同，且只有在與發(fā)射陣元相同的極化方向上才能獲得設(shè)定模態(tài)的渦旋電磁波。
對(duì)于由單元離散排列組合成的圓環(huán)，其產(chǎn)生的模式數(shù)量和單元個(gè)數(shù)有關(guān)，應(yīng)滿足-N/2<L<N/2。其中，N是單元個(gè)數(shù)，L就是OAM模式，饋電采用?φ=2piL/n為每個(gè)單元間的相位差即可。
展開 如下圖，作者制作了一排鋯硅納米柱，在其中摻雜熒光染料，隨后用顯微鏡聚焦渦旋光在納米柱一側(cè)，觀察到熒光分子被激活且熒光向著一側(cè)單向輻射。有兩點(diǎn)需要說明，第一個(gè)作者在仿真中使用的是偶極子光來近似等效聚焦渦旋光，第二點(diǎn)是作者的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象我覺得也并不明顯是單向輻射，盡管他的仿真很明顯。
先用fdtd把上面的靜態(tài)圖片的模型仿真一下，就能得到動(dòng)態(tài)圖看的更直觀
這篇文章是今年暑假回去學(xué)車時(shí)，抽空弄了弄，我用fdtd和comsol復(fù)現(xiàn)了本文圖1中de四幅圖的仿真，如下
下面是fdtd復(fù)現(xiàn)結(jié)果
下面是comsol的復(fù)現(xiàn)結(jié)果
另外還用comsol復(fù)現(xiàn)了圖3a，如下
下面是付費(fèi)內(nèi)容
1
物質(zhì)磁性的起源
如果磁是電磁以太渦旋，一個(gè)磁鐵，沒看到任何電磁以太的渦旋，為什么會(huì)有磁性？我們的回答是：物質(zhì)的磁性起源于原子中電子的運(yùn)動(dòng)，電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁以太的渦旋。
早在1820年，丹麥科學(xué)家奧斯特就發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，第一次揭示了磁與電存在著聯(lián)系，從而把電學(xué)和磁學(xué)聯(lián)系起來。
為了解釋永磁和磁化現(xiàn)象，安培提出了分子電流假說。安培認(rèn)為，任何物質(zhì)的分子中都存在著環(huán)形電流，稱為分子電流，而分子電流相當(dāng)一個(gè)基元磁體。當(dāng)物質(zhì)在宏觀上不存在磁性時(shí)，這些分子電流做的取向是無規(guī)則的，它們對(duì)外界所產(chǎn)生的磁效應(yīng)互相抵消，故使整個(gè)物體不顯磁性。在外磁場(chǎng)作用下，等效于基元磁體的各個(gè)分子 電流將傾向于沿外磁場(chǎng)方向取向，而使物體顯示磁性。
磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象有本質(zhì)的聯(lián)系。物質(zhì)的磁性和電子的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念，是把電子看成一個(gè)帶電的小球，他們認(rèn)為，與地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)相似，電子一方面繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)，相應(yīng)有軌道角動(dòng)量和軌道磁矩，另一方面又繞本身軸線自轉(zhuǎn)，具有自旋角動(dòng)量和相應(yīng)的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的磁矩正是這自旋磁矩。（現(xiàn)在人們認(rèn)為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)是不正確的。）
電子繞原子核作圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)和繞本身的自旋運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生電磁以太的渦旋而形成磁性，人們常用磁矩來描述磁性。因此電子具有磁矩，電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成。在晶體中，電子的軌道磁矩受晶格的作用，其方向是變化的，不能形成一個(gè)聯(lián)合磁矩，對(duì)外沒有磁性作用。
展開 
渦旋電磁的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
渦旋電磁的最新內(nèi)容
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于相同的陣元個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)相同的軌道角動(dòng)量模式數(shù)時(shí)，沿一個(gè)方向放置的陣列比射線放置和切線放置的陣列所輻射的波束更準(zhǔn)直，且有更少的副瓣和更強(qiáng)的輻射強(qiáng)度，并且，用陣列方法產(chǎn)生渦旋電磁波時(shí)，各陣元的極化方式必須相同，且只有在與發(fā)射陣元相同的極化方向上才能獲得設(shè)定模態(tài)的渦旋電磁波。
對(duì)于由單元離散排列組合成的圓環(huán)，其產(chǎn)生的模式數(shù)量和單元個(gè)數(shù)有關(guān)，應(yīng)滿足-N/2<L<N/2。
一篇2023年發(fā)表在nature photonics上的文章。如下圖，作者制作了一排鋯硅納米柱，在其中摻雜熒光染料，隨后用顯微鏡聚焦渦旋光在納米柱一側(cè)，觀察到熒光分子被激活且熒光向著一側(cè)單向輻射。有兩點(diǎn)需要說明，第一個(gè)作者在仿真中使用的是偶極子光來近似等效聚焦渦旋光，第二點(diǎn)是作者的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象我覺得也并不明顯是單向輻射，盡管他的仿真很明顯。
先用fdtd把上面的靜態(tài)圖片的模型仿真一下，就能得到動(dòng)態(tài)圖看的更直觀
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。
好了，我們直接跳過這段，來簡單理解一下。
軌道角動(dòng)量通信技術(shù)是一種基于電磁波自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的新型通信技術(shù)。電磁輻射既攜帶線動(dòng)量也攜帶角動(dòng)量，可以理解為在往前走的時(shí)候還自轉(zhuǎn)，軌道角動(dòng)量即電磁波“自轉(zhuǎn)”的動(dòng)量。
這個(gè)設(shè)計(jì)建立了天線的等效模型，推導(dǎo)了其輻射場(chǎng)的理論表達(dá)，討論了介質(zhì)諧振器半徑對(duì)渦旋波電磁波模態(tài)的影響，通過仿真結(jié)果表明，該天線在波段有四個(gè)諧振點(diǎn)，能夠分別產(chǎn)生模態(tài)的渦旋電磁波。此外，該天線結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，增益良好，具有較高的天線效率，產(chǎn)生的各個(gè)模態(tài)的渦旋電磁波都具有良好的旋轉(zhuǎn)性，能夠獲得較強(qiáng)的抗干擾能力，為軌道角動(dòng)量在毫米波頻段的應(yīng)用提供了一定的現(xiàn)實(shí)意義。
1
物質(zhì)磁性的起源
如果磁是電磁以太渦旋，一個(gè)磁鐵，沒看到任何電磁以太的渦旋，為什么會(huì)有磁性？
