使用E波段超表面实现轨道角动量复用与解复用的可达速率分析

为什么这对未来无线连接很重要

我们对数据的需求持续增长——想象沉浸式虚拟现实、智能工厂和数十亿互联设备。然而，现有无线网络已经在频率分割或极化等常用手段上尽可能榨取信息量。本文探讨了电磁波的一种不同特性，称为轨道角动量（OAM），并展示了如何利用精心设计的表面在相同频谱片段中塞入更多数据，从而指向面向未来6G及更高网络的超高容量链路。

扭曲波束作为额外的数据通道

光和无线电波通常像平滑的波纹那样扩散。OAM波不同：其能量形成甜甜圈状，且相位像螺旋一样缠绕。不同的缠绕模式——称为模态——在理想条件下彼此正交，意味着它们不会相互干扰。原则上，每个模态都可以承载独立的数据流，在同一频带内创造许多看不见的“车道”。挑战在于如何在实际硬件中产生、复用、解复用并精确建模这些扭曲波束，尤其是在用于超高速回传链路的毫米波“E波段”。

塑形无线电波的平面器件

作者基于超表面概念进行构建——超薄结构，由微小图案化金属单元（称为超原子）阵列组成。通过对每个单元的精细设计，平板可以在每一点控制通过波的相位和极化，本质上像一片可编程的透镜与棱镜。在这项工作中，团队设计了一种基于类法布里–珀罗腔的新的超原子：三层铜板由低损耗介质片间隔。通过仅调节中央金属“I”形的两个几何角度，他们在E波段实现了高透射效率和完整的360度相位控制，同时保持了较低损耗。

构建完整的扭曲波束链路

利用这些改进的构件，研究人员制作了两块大型超表面：一块用于合成波束（复用），一块用于分离波束（解复用）。在发射端，一个E波段源被分为两束高斯波，从不同角度照射到复用超表面。该面板在波束上刻画出对应于两种OAM模态的不同扭曲模式，有效地将两路独立数据编码到重叠的甜甜圈状波束上，沿相同视线传播。在接收端，第二块超表面叠加了聚焦与偏转模式，消除扭曲并将两束携带数据的波分别导向不同方向，简单的探测器即可将它们作为普通的聚焦波束接收。

从电磁场到数据速率

为了评估该系统作为通信链路的性能，团队超越了可视化的场图，引入了“有效信道”模型。他们模拟电场如何从源头通过两块超表面传输到小型探测区域，采用高效的角谱方法替代繁重的全波仿真。通过将模拟得到的场在每个探测器上积分，定义出包含期望信号耦合与模态间残余干扰的信道系数。将这些系数排列成矩阵后，就得到了在数学上等价于多输入多输出（MIMO）系统的模型，从而允许作者直接根据波的物理特性计算理论上的可达数据速率。

将模型付诸检验

在实验方面，研究人员在83 GHz测量了其超表面产生和接收波束的振幅与相位，验证了清晰的甜甜圈剖面和两种OAM模态的正确缠绕数。随后他们在宽功率范围内变化输入功率，并结合测得的噪声水平，从有效信道模型中提取出隐含的可达速率。实验与理论得到的数据速率曲线在信噪比范围内紧密吻合，仅在极低和极高功率处出现可由噪声不确定性与微小对准误差解释的小偏差。在最高测试功率下，该系统支持令人印象深刻的41.8比特每秒每赫兹的频谱效率。

这对未来网络意味着什么

简而言之，这项研究表明，经过精心设计的平面表面能够以受控方式扭曲与解扭无线电波，使多路高容量信道共享相同频率和视线成为可能。关键在于，作者把详细的电磁行为与标准通信指标建立了桥梁，证明其基于超表面的OAM系统在行为上等价于一个被充分理解的多天线链路并具有很高的频谱效率。通过进一步使用独立发射器、更多模态和更先进的调制格式，此类由超表面支持的OAM链路有望成为未来无线网络在空中传输大量数据的实用构件。

引用: Chung, H., Kim, B., Lee, YS. et al. Achievable rate analysis of orbital angular momentum multiplexing and demultiplexing using E-band metasurfaces. Sci Rep 16, 9826 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40149-7

关键词: 轨道角动量, 超表面, 毫米波无线, 模式分复用, 高容量通信