轨道角动量波在等离子体媒质中的传输特性研究

Electromagnetic wave carrying orbital angular momentum (OAM) is regarded as a potential transmission technique in 5G mobile communication by researchers at home and abroad due to the multiplexing technique based on infinite independent channels. However, it is necessary to conduct the research on transmission of the waves with the OAM for the application of the OAM wave into practical wireless communication. Based on the novel property of the particle operation by the OAM wave, the research on the transmission of the OAM wave in the plasma is conducted in the project. Starting from the Helmholtz wave equations, the general solution of the OAM wave satisfying Maxwell’s equations is explored. The numerical computation method with high accuracy and low memory is developed to achieve the co-simulation of electromagnetic fields and charged particles. Parallel computation platform is built to efficiently simulate the transmission of the OAM wave in the plasma. The transmitting and receiving devices for the OAM wave are designed, and the measurement platform for the transmission of the OAM wave in the plasma is set up. In the ways of the simulation and the measurement, the mechanism about the interaction between the OAM wave and the plasma is illuminated and the transmission property of the OAM wave in the plasma is explored so that the application of the OAM wave into practical wireless communication is promoted.

轨道角动量电磁波由于能够在无穷多个相互独立的信道上实现复用技术，而被国内外学者认为是5G移动通信系统中一种潜在的传输技术。但是要将轨道角动量电磁波应用于实际的无线通信系统中，就必须要开展其在空间传输特性的研究。本课题基于轨道角动量电磁波对粒子操控的新颖特性，开展在等离子体媒质中轨道角动量电磁波传输特性的研究。从赫姆霍兹方程出发，探索满足Maxwell方程的轨道角动量电磁波场的一般表达式。研究高精度、低存储的高效仿真技术实现电磁场与带电粒子的联合仿真，并开发高性能的仿真平台实现轨道角动量波在等离子体媒质中传输特性的仿真分析。设计高效的轨道角动量电磁波收发装置，搭建轨道角动量电磁波在等离子体媒质中传输特性的实验平台。通过仿真与实验的手段，阐明轨道角动量电磁波与等离子体媒质的相互作用机理，揭示轨道角动量电磁波在等离子体空间中的传输特性，以促进轨道角动量电磁波在无线通信中的实际应用。

轨道角动量涡旋电磁波不同于传统的平面电磁波，其携带有轨道角动量，且具有不同拓扑电荷的轨道角动量波是相互正交的，从而在移动通信、成像、探测等领域备受关注。本项目针对轨道角动量电磁波在等离子体媒质中的传播特性开展研究，从理论、仿真方法和实验三个方面开展研究，具体为：（1）推导了旁轴近似和非旁轴近似下的涡旋电磁波的表达式，仿真研究表明旁轴近似下的涡旋波为横电磁波，而非轴近似下的涡旋波为非横电磁波，两者具有类似的空间相位分布；（2）以间断伽辽金时域仿真技术为基础，发展了基于波动方程的内罚伽辽金时域算法、基于麦克斯韦方程的间断伽辽金时域算法，及两者的混合算法，并在此基础之上研究了每种算法的稳定性条件，提出了对应的时间步阈值的局域快速求解技术；此外提出了降低内存的低存储技术，以及提升多尺度结构分析计算效率的局部时间步进技术；同时发展了非共形的求解技术，和阶数自适应与网格自适应的动态求解算法；将各种高效技术相结合发展了对应图像处理单元并行算法和消息传递接口的并行算法，实现了大规模多尺度复杂电磁问题的高效计算。最后将所提出的方法应用于了石墨烯的超表面结构仿真、电磁-电路的多物理仿真、电磁-粒子的等离子体仿真等问题。通过涡旋波在等离子体媒质中的仿真研究可知，与传统的平面波相比，涡旋电磁波与等离子体媒质相互作用时反射系数更低，而传播损耗更大；（3）设计了几种涡旋电磁波的收发装置，包括基于模态可调的石墨烯反射阵与透射阵，模态可调的透明天线、组合八臂螺旋天线、双馈电平面螺旋天线，实现宽频带下单一模态、混合模态、自旋角动量、轨道角动量的动态可调；在此基础之上，利用涡旋电磁波方向图中空的特性，设计了一种散射天线阵列结构，以实现天线带内的雷达散射截面减缩；最后利用所设计的涡旋波天线开展了轨道角动量涡旋电磁波在自由空间的传输实验，验证了轨道角动量涡旋电磁波良好的传输特性。