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轨道角动量的发现可以追溯到1992年，荷兰物理学家L．Allen率先发现拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)光束携带有exp( jlφ )的相位因子，并证明了LG激光束携带轨道角动量 ［12］ 。早期关于OAM波束的研究主要集中于光学领域。光相对于微波来说，由于光的波长更短，其粒子性更加显著，所以光学OAM更容易被人们发现和利用。如今，涡旋光通信已经成为光学领域的研究热点，大量实验已证实通过引入OAM可以大幅提高光通信的频谱利用率。相比光学领域，微波频段的轨道角动量相关研究的发展要相对滞后一些。2007年，瑞典空间物理研究所Bo Thidé等人首次将涡旋电磁波从光波段移植到射频波段，他们提出利用环形阵列天线在射频/微波频段也能得到具有类似于光学涡旋的波束，这项开创性工作为射频OAM的研究打开了大门 ［7］ 。但是，当时有学者认为，较低频率的涡旋电磁波无法像光学涡旋那样被完全接收和探测，因此无法实际应用于通信中。
图1.2 Bo Thidé等人提出的电磁涡旋产生方案
2010年，瑞典空间物理研究所S．M．Mohammadi等人对涡旋电磁波的接收方案进行了细致的仿真研究，提出了一种基于涡旋电磁波的部分接收和探测方法。该方法不需要接收整个涡旋波束，而是通过检测部分波束的相位差来进行OAM的探测 ［10］ 。2011年，在意大利水城威尼斯,Bo Thidé等人成功利用涡旋电磁波进行了远达442m的通信实验，证实了在实际环境下，通过对不同OAM模态的涡旋电磁波进行编码，即可在同一频率同时传输多路信息的理论 ［11］ 。该实验证实了通过对OAM模态进行编码可以在同一信道同时传输多路信号，这为射频涡旋电磁通信技术奠定了基础。
2011年，《自然·物理》对射频涡旋电磁通信技术做了重要评述，发表了题为“涡旋电磁波有望带来通信技术革命”( Spiralling radio waves could revolutionize telecommunications )的报道 ［13］ ,称涡旋电磁波有望大幅拓宽移动电话、数字电视以及其他通信技术的可用带宽，这无疑将对当今的无线通信理论产生颠覆性技术革新。如今，随着大数据业务的推广，人们对频谱资源的利用已接近香农极限，要想扩充现有的通信信道容量已变得十分困难，因此借助涡旋电磁波技术来解决这一问题显得举足轻重。而Bo Thidé等人成功地将光学OAM技术移植到微波射频段，这为微波无线通信技术提供了一个新的发展思路。
图1.3 Bo Thidé等人成功实现了远达442m的涡旋电磁波通信实验
从最近几年的文献调研中可以看到，国内针对涡旋电磁波的相关研究呈“井喷”之势，大量研究成果频频亮相。在人工电磁表面调控涡旋电磁波方面较有代表性的成果有，东南大学崔铁军院士团队提出了数字化编码人工电磁表面产生涡旋电磁波的新方法 ［14］ ,以及利用SPP实现在不同频率产生不同OAM模态的新方法 ［15］ ;浙江大学沙威教授等人提出利用人工电磁表面在微波频率产生OAM波束 ［16］ 以及探测OAM模态的方法 ［17］ ;空军工程大学许河秀教授等人提出利用Pan charatnam-Berry人工电磁表面可以产生宽带的涡旋电磁波 ［18］ ;南京大学冯一军教授提出了基于反射型人工电磁表面的OAM锥形波束产生方法 ［19］ ;西安交通大学张安学教授提出采用有源人工电磁表面产生多模态OAM涡旋电磁波的方法 ［20］ 。在OAM涡旋波束扫描方面，国防科技大学的王宏强教授等人较早开展了相关的研究工作 ［21］ ,浙江大学郑史烈教授等人实现了基于平面螺旋的OAM涡旋电磁波的波束扫描 ［22］ ,重庆邮电大学的研究人员也提出了使用环形阵列实现OAM波束扫描的时间调制方法 ［23］ 。
目前,OAM涡旋电磁波相关技术已成为各国竞相争夺的技术制高点之一。日本内政和通信部(MIC, Ministry of Interior and Communications)委托日本电气股份有限公司(NEC, Nippon Electronic Company)和日本移动通信公司(NTT, Nippon Telegraph and Telephone Corporation)等多家单位联合推广OAM在5G和B5G的工程化应用。2018年12月,NEC首次成功演示了在80GHz频段内，超过40m的OAM模态复用实验(采用256正交幅度调制、8个OAM模态复用），其主要面向于点对点的回程应用。NTT在2018年和2019年成功演示了OAM模态的11路复用技术实验，并在10m的传输距离下实现了100Gbit/ s的传输速率。2019年，韩国科学院面向未来无线通信应用，将OAM应用于6G移动通信中，同时也制订了关于OAM量子态传输的国家级重点课题，计划支持到2026年。2014年，国家重点基础研究发展计划(973计划）启动了“基于光子轨道角动量(OAM)的新型通信体制基础研究”项目，经过4年的努力，中山大学、清华大学、华中科技大学、烽火通信科技股份有限公司、浙江大学和北京理工大学等单位的多位研究学者，如余思远、孙长征、王健、章献民、李诗愈等，围绕“OAM电磁波发射、传播、接收”“信息在不同OAM电磁波的加载、传输、卸载”“多个OAM电磁波束的结合、共同传输、分离”等环节中的关键科学问题开展了系统而深入的研究，取得了一批原始性创新成果，在国际上产生了重要影响。2016年8月，“十三五”装备预研领域基金第一批指南中将“基于新型人工电磁材料的涡旋电磁波通信天线技术”作为了独立的研究课题,《2019年国家自然科学基金项目申报指南》中也将“电磁涡旋通信”列为倾斜支持和鼓励研究领域，这说明涡旋电磁波相关研究无论是在国防还是国民经济中，均有着诱人的应用潜力。2019年，我国工业和信息化部召开第六代移动通信工作研讨会，将轨道角动量作为六项6G备选关键技术之一，列入国家未来三年重点研究计划，并成立了相应的OAM技术任务组。2020年，清华大学、北京邮电大学、北京交通大学、中国联通、中兴通讯、中科院联合发布的《6G无线热点技术研究白皮书》指出，涡旋电磁波作为一种潜在的6G技术方案，具有重要的应用前景 ［24］ 。
将OAM参数维度用于通信系统中，有望大幅度提高通信系统的频谱效率和容量，满足未来通信容量增长需求。把OAM参数维度用于雷达系统中，可实现基于涡旋电磁波体制的新型雷达，这有望提高雷达系统的反隐身能力。基于以上国内外关于该领域的发展现状可知，在微波、毫米波领域，设计高效的电磁涡旋波束发射天线仍然具有很高的研究价值。通过对国内外研究现状的跟踪调研可以看出，目前人们对涡旋电磁波束的研究正处于完善理论的阶段，还有一些极具挑战的科学问题亟待探明，如涡旋电磁波的波束扫描技术、共形载体的涡旋电磁波产生方法以及如何同时产生多个Bessel无衍射涡旋波束等。此外，目前涡旋电磁波还存在一些重要科学问题亟待解决，如波束发散角和副瓣电平的控制与综合问题。值得指出的是，作者对人工电磁表面调控涡旋电磁波方面进行了一定的工作，提出了使用反射型人工电磁表面产生涡旋电磁波的方法 ［25］ ,并实现了利用单个电磁表面同时产生多个涡旋电磁波的方法 ［26］ ,利用人工电磁表面实现了极化正交涡旋电磁波的产生 ［27］ ,并进一步探索了Bessel涡旋电磁波的产生方法 ［28］ ,针对基于人工电磁表面的混合模态涡旋电磁波检测和接收做了初步探索 ［29］ ;讨论了平面阵列天线在涡旋电磁波大角度扫描时的方向图畸变现象 ［30］ ,并利用球面共形相控阵方案成功解决了这一问题 ［31］ ;实验验证了共形阵列天线 ［32］ 、共形人工电磁表面 ［33］ 、共形人工阻抗表面 ［34］ 应用于涡旋电磁波调控的可行性；此外，还提出了基于贝利斯差方向图函数的低副瓣涡旋电磁波综合方法 ［35］ 。为了及时总结OAM涡旋电磁波的相关理论，本书将重点讨论涡旋电磁波的产生技术，旨在形成系统的涡旋电磁波产生技术方案，使产生的涡旋波束具备低副瓣、发散角稳定、增益可控等特性，为未来电磁涡旋通信和涡旋雷达技术提供理论参考。