世界首次!清华大学完成27.5公里长距离微波测量实验

2017-02-22 16:14:29

来源:观察者网    作者:

  近日,从清华大学航天航空学院航电实验室获悉,2016年12月,该实验室成功完成世界首次微波频段轨道角动量(OAM)电磁波27.5公里长距离传输实验。此前公开报道显示,国外类似实验基本没有超过1公里。

  该实验由清华大学航电实验室承担,同时获得了中国航天科工集团二院二部、北京遥感设备研究所等相关单位的大力支持。微波频段OAM电磁波长距离传输实验成功不仅标志着我国在该领域的研究水平已经跃居国际前列,自主创新成果达到世界领先水平,而且为我国未来长距离大容量OAM电磁波空间传输研发奠定了关键理论和技术基础,从此开创了我国在国际上引领长距离电磁波轨道角动量传输研究和发展的新局面。

  什么是轨道角动量电磁波?

  轨道角动量电磁波顾名思义是具有轨道角动量的电磁波(普通平面电磁波轨道角动量为零),又称涡旋电磁波。这种电磁波具有螺旋相位面(如图1,OAM波的波前方向与传播轴呈螺旋状)。因为同频率电磁波拥有不同轨道角动量(即不同的螺旋相位面)可以正交传输,互不干扰,所以近年来轨道角动量被认为是电磁波新的维度空间,用以增加信道容量,使得电磁波携带信息的能力大幅提高。

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  目前大家常用的移动通信(2G、3G、4G,甚至未来的5G)、广播电视、卫星通信和导航等均可认为是利用的是平面电磁波(球面波的远距离近似),其等相位面与传播轴垂直。这样的电磁波自100多年前马可尼首次利用无线电波进行无线通信开始便加以利用,时至今日仍无多大变化,接收时主要用天线接收电磁波的电场强度,进而由电场强度的变化引入频率,变化的先后引入相位。能利用的维度一直局限于时间域、频率域、空域、码域、功率域,即使不久的将来要布设的第五代(5G)移动通信,也没有超出以上域的限制。根据信息论中著名的香农公式可以看出,如果没有产生新的域的话,信道容量的提升将变得非常困难。

  专家对观察者网指出,目前人类对电磁波的了解和利用还非常的粗浅,就如同汪洋大海中只认识了一个小水洼。电磁波轨道角动量就是区别于电场强度的又一个物理量,如果能将该物理量善加利用,则可以大幅度地提升电磁波的传输和探测能力。

  普通电磁波轨道角动量长距离传输技术

  世界上开始关注电磁波轨道角动量是从光领域开始的,1992年美国科学家Allen等人根据麦克斯韦方程组证明了光学涡旋在近轴传播时具有确定的轨道角动量,该结论提出后得到了各国科学家大量关注。目前已经有自由空间光传输最高纪录已经达到143公里(奥地利),传输容量超过Gbps(德国)的公开报道。

  从应用的角度看,普通电磁波(频率低于300GHz)已经大量应用于通信、导航、探测领域,如果能在普通电磁波领域获得长距离大容量OAM的传输能力,其结果将十分诱人。然而,由于普通轨道角动量电磁波波束更加发散,且波束中心存在凹陷(中心能量为零),整个轨道角动量电磁波波束呈现中空的倒锥形,且随着传输距离的增大,环形波束的半径越来越大。对这种电磁波的接收,现有的方法是采用一个大口径的天线(或天线阵)将整个环形波束接收下来。随着传输距离增大,所需接收天线尺寸也越来越大。这种接收方法在长距离传输时变得异常困难,比如10公里的传输,天线口径将达到100米以上;100公里的传输,则需要1km半径天线!

  从文献报道中能看到的该领域进展十分有限,2007年瑞典空间物理研究所科学家B.Thide等人通过天线阵列的数值仿真验证了低频电磁波(频率低于1GHz)同样可以产生轨道角动量。2011年,意大利帕多瓦大学学者Fabrizio Tamburini等人利用在2.4GHz频点实现了对电磁波OAM的产生与测量,在442米的威尼斯湖面上实现了OAM电磁波传输。之后的一些零星公开报道显示普通电磁波OAM传输实验基本没有超过1公里。

  中国此次实验的技术创新与突破

  清华大学航电实验室对观察者网表示,经过3年时间潜心研究,提出了一套仅利用部分波阵面接收的电磁波轨道角动量的传输方法,可在空间中有限区域实现电磁波不同轨道角动量模式的检测和区分,突破了普通轨道角动量电磁波长距离传输的理论和关键技术。为了验证这种部分接收方法长距离传输的有效性,实验室于2016年底前,先后成功完成1公里传输(昌平虎峪)、7.3公里传输(清华大学至百望山)、13.6公里传输(清华大学至香山),以及此次的27.5公里传输(10GHz,清华大学至千灵山)。目前,清华大学航电实验室正在联合有关单位,进行距离超过100公里的长距离传输实验。

  该领域权威专家对观察者强调,中国此次完成世界首次微波频段轨道角动量电磁波长距离传输实验对未来OAM电磁波发展应用有十分重要和积极的意义,特别是在未来空间长距离电磁波通信、导航、探测,以及下一代移动通信技术发展,提供了具有自主知识产权的理论和技术储备。另外,电磁波OAM量子态最近也被大家广泛关注,OAM量子态具有很多普通量子态所不具备的优点。长距离传输实验成功也为未来微波量子OAM态的长距离传输应用提供了有益的思路。

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