渦旋電磁的案例
一種新的軌道角動量天線設計
無線通信主要建立在平面電磁波上，已充分利用時域、頻域、碼域、空域和極化域這些復用維度來提高頻譜效率。為了獲得更高的頻譜效率，業界在不斷嘗試從電磁波的物理特性入手來實現信息傳輸方式的突破，比如軌道角動量技術。近年來，軌道角動量一直是無線通信領域的研究熱點。
今天就給大家分享一個將軌道角動量與毫米波技術相結合的基于介質諧振器的軌道角動量天線設計，非常具有實用性。這個設計建立了天線的等效模型，推導了其輻射場的理論表達，討論了介質諧振器半徑對渦旋波電磁波模態的影響，通過仿真結果表明，該天線在波段有四個諧振點，能夠分別產生模態的渦旋電磁波。此外，該天線結構緊湊，成本低，增益良好，具有較高的天線效率，產生的各個模態的渦旋電磁波都具有良好的旋轉性，能夠獲得較強的抗干擾能力，為軌道角動量在毫米波頻段的應用提供了一定的現實意義。
天線設計
該天線設計了一種介質諧振器天線，天線結構如圖3所示，圖3(a)是天線的三維結構圖，可以看到該天線是由一個介質諧振器，一條微帶線，一層介質基板和一個接地面構成，圖3(b)是天線俯視圖。
仿真結果分析
天線的S參數能夠準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參數仿真結果，可以看到，S參數有多次下降，表明這些頻率的波耦合進了諧振器當中，但并不是所有都是OAM模式。在28GHz~36GHz之間，該天線產生了4個諧振點，能夠產生的OAM模態。分別是：在29.6GHz處產生的OAM模態，在30.6GHz處產生的OAM模態，在32.2GHz處產生的OAM模態，在35.1GHz處產生的OAM模態。圖8是該天線電壓駐波比的仿真結果，可以看到在四個諧振點處的VSWR幾乎達到1，在天線的工作頻段28GHz~36GHz之間匹配良好。
展開 一文讀懂剛剛突破的6G新技術
專家針對電磁波的傳播原理入手，于是軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）通信技術被提了出來。
圖源 | 通信學報《軌道角動量通信技術的研究》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發射裝置。5G基站應用了相控陣技術，通過調整不同天線發射的電磁波參數，讓不同波形相互干涉制造能量更大的波峰，以此提升信號傳播范圍。6G新技術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用空間，而不是加強傳播距離。
這里放一段《渦旋電磁波軌道角動量傳輸技術》（《郵電設計技術》2022年1月13日 謝翔東，何耀宇，張超）論文中關于軌道角動量（OAM）的解釋：OAM是電磁波的固有物理屬性，OAM的物理量綱（ML2T-1）和電場強度的物理量綱（MLT-3I-1）線性無關（其中M為質量，L為長度，T為溫度，I為電流），所以彼此獨立。經典電動力學和量子電動力學（QED）理論均指出，電磁波角動量包括自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）。自旋角動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模態的渦旋電磁波具備正交特性，利用該特性進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。
軌道角動量通信技術是一種基于電磁波自旋角動量和軌道角動量的新型通信技術。電磁輻射既攜帶線動量也攜帶角動量，可以理解為在往前走的時候還自轉，軌道角動量即電磁波“自轉”的動量。攜帶有軌道角動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因子，電磁波就不再是平面結構，而是繞著波束傳播方向旋轉，呈現出一種螺旋的相位結構。
展開 基于HFSS的軌道角動量天線設計
經典電磁理論指出，電磁輻射不僅攜帶線性動量，還有可能攜帶角動量。對光波而言，角動量和線性動量之間的關系可簡單地表示為L =r +p ,其中表示角動量，r表示光子的位置矢量，p =mv 表示線性動量。角動量可分為自旋角動量SAM和軌道角動量OAM兩部分，用S和J分別表示他們，則L可以表示為：
L = S + J
對于線極化光波，有S=0，在考慮傳播方向上的角動量時，如z軸，它與x、y平面上的線性動量有關。p =mv =ε_0 E xB ,E和B分別表示電場和磁場。因此，對于TEM波而言，不論是圓極化波還是線極化波，其電場與磁場均存在于x、y平面內， 線性動量p平行于z軸，因此在傳播方向上不會有角動量產生。這表明，在傳播方向上，如果沒有電場或者磁場的分布則角動量也不會產生。實際情況下，由于有限性的限制，TEM波是不存在的，軸向場總是存在，因此電磁輻射總會伴隨著角動量的傳輸。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“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 不同結構偶極子圓環陣
采用線極化的偶極子進行圓環排布，是得到渦旋波的常用方法，圖2給出了（a）放射狀結構，（b）切線結構和（c）均衡結構的三種排布方式。實驗發現對于相同的陣元個數，實現相同的軌道角動量模式數時，沿一個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直，且有更少的副瓣和更強的輻射強度，并且，用陣列方法產生渦旋電磁波時，各陣元的極化方式必須相同，且只有在與發射陣元相同的極化方向上才能獲得設定模態的渦旋電磁波。
對于由單元離散排列組合成的圓環，其產生的模式數量和單元個數有關，應滿足-N/2<L<N/2。其中，N是單元個數，L就是OAM模式，饋電采用?φ=2piL/n為每個單元間的相位差即可。
展開 27，調控電磁波的傳播方向 2-渦旋光誘導熒光單向輻射 ￥2000
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，觀察到熒光分子被激活且熒光向著一側單向輻射。有兩點需要說明，第一個作者在仿真中使用的是偶極子光來近似等效聚焦渦旋光，第二點是作者的實驗現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把上面的靜態圖片的模型仿真一下，就能得到動態圖看的更直觀
這篇文章是今年暑假回去學車時，抽空弄了弄，我用fdtd和comsol復現了本文圖1中de四幅圖的仿真，如下
下面是fdtd復現結果
下面是comsol的復現結果
另外還用comsol復現了圖3a，如下
下面是付費內容
為什么只有少數金屬才具備磁性？
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物質磁性的起源
如果磁是電磁以太渦旋，一個磁鐵，沒看到任何電磁以太的渦旋，為什么會有磁性？我們的回答是：物質的磁性起源于原子中電子的運動，電子的運動會產生一個電磁以太的渦旋。
早在1820年，丹麥科學家奧斯特就發現了電流的磁效應，第一次揭示了磁與電存在著聯系，從而把電學和磁學聯系起來。
為了解釋永磁和磁化現象，安培提出了分子電流假說。安培認為，任何物質的分子中都存在著環形電流，稱為分子電流，而分子電流相當一個基元磁體。當物質在宏觀上不存在磁性時，這些分子電流做的取向是無規則的，它們對外界所產生的磁效應互相抵消，故使整個物體不顯磁性。在外磁場作用下，等效于基元磁體的各個分子 電流將傾向于沿外磁場方向取向，而使物體顯示磁性。
磁現象和電現象有本質的聯系。物質的磁性和電子的運動結構有著密切的關系。烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念，是把電子看成一個帶電的小球，他們認為，與地球繞太陽的運動相似，電子一方面繞原子核運轉，相應有軌道角動量和軌道磁矩，另一方面又繞本身軸線自轉，具有自旋角動量和相應的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實驗中所測得的磁矩正是這自旋磁矩。（現在人們認為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉動是不正確的。）
電子繞原子核作圓軌道運轉和繞本身的自旋運動都會產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，不能形成一個聯合磁矩，對外沒有磁性作用。
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