电磁涡旋,作为一项新的通信技术,利用轨道角动量这个物理属性作为新的维度进行复用,可以实现在同一频段上同时传输多路信息,带来巨大的容量提升。它不仅突破了传统无线通信系统的容量瓶颈,还有效解决了频谱资源短缺的问题。本文从理论的角度深入研究了电磁涡旋的信道模型和信道容量,主要研究内容如下:1、针对电磁涡旋通信信号的特点,分别从理论分析和实践应用的角度建立了电磁涡旋信号模型。该模型用于描述涡旋信号的本质特征。仿真结果表明,涡旋信号与传统无线信号在时域、频域难以区分,但是在涡旋相位域能够区分。因此,所建立的涡旋信号模型可以通过三维图形展示其信号特性。2、针对电磁涡旋通信信道建模问题,研究了光学领域的拉盖尔–高斯模的模式特点,在此基础上,结合传统的自由空间传播模型,基于拉盖尔–高斯模从理论的角度建立自由空间涡旋信道模型。该模型用于描述自由空间场景下涡旋信道的传播特性。与现有的涡旋信道模型相比,所建立的涡旋信道模型不仅涵盖了传统的自由空间传播模型,还包含了拓扑荷对涡旋信道衰落特性的影响。仿真结果表明,自由空间涡旋信道模型能够刻画自由空间涡旋信道的特性。3、针对频谱资源匮乏的现状,研究了轨道角动量应用于无线通信系统所存在的问题,提出了单天线电磁涡旋系统的系统模型及其实现方法。具体来说,提出了涡旋调制解调方法以及轨道角动量复用与解复用的方法;从系统实现的角度,设计了涡旋天线实现涡旋信号的调制,提出了方位角积分法实现涡旋信号的解调。在此基础上,对单天线电磁涡旋系统的信道容量进行分析,给出容量公式。仿真结果表明,同等信道数目情况下,单天线电磁涡旋系统通过轨道角动量的复用比传统无线通信系统具有更大的信道容量和更好的误码性能。4、针对多天线技术的应用,研究了轨道角动量与传统的多输入多输出系统的结合问题,建立了多天线电磁涡旋系统的系统模型。在自由空间场景下,利用多根涡旋天线在收发端构建均匀圆形阵列,实现涡旋信号收发;建立了多天线电磁涡旋系统的信道模型,利用该模型进行信道容量分析。通过改变收发天线相对位置,分析推导信道最大容量所需要的最佳相位条件,仿真了接收端UCA固定和接收端UCA可活动情况的信道容量。结果表明,多天线电磁涡旋系统相对于传统的MIMO系统具有更大的信道容量。综上所述,本论文建立了电磁涡旋通信信号与信道模型,对单天线和多天线系统电磁涡旋的信道容量进行了分析,所提模型与方法具有理论与实践意义。