CN104601214A - 一种用于射频轨道角动量模式解复用的取样接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于射频轨道角动量模式解复用的取样接收方法。针对轨道角动量波束的完全接收方案成本高，体积大，不利于模式复用的问题，取样接收方法对于一个由p个拓扑荷l_i满足一定规律的射频轨道角动量波组成的复用波束，在垂直波束传播主轴平面，与传播主轴同心圆的1/n圆弧上均匀排放p个天线，天线角向间隔为2π/np。如果p个拓扑荷l_i满足l_i＝l+nm，l为任意的轨道角动量拓扑荷，m为整数，且任意两个拓扑荷的差的绝对值小于(p-1)n，则采用p个天线的取样接收可以实现这组p个轨道角动量组成的复用波束的模式解复用，模式间串扰小。

Description

一种用于射频轨道角动量模式解复用的取样接收方法

技术领域

本发明涉及射频轨道角动量波束模式解复用领域，尤其涉及一种用于射频轨道角动量模式解复用的取样接收方法。

背景技术

随着全球进入移动互联网时代，移动通信业务的频谱缺口日益严重。由于低频段的优质频谱资源十分有限，仅通过划分新频谱难以满足移动通信的新需求。目前，基于电磁波的频谱、相位、振幅等维度以扩大信息容量已经得到较为充分的开发和利用。寻找新的物理参数维度实现电磁波通信技术，在有限频谱资源内满足通信容量呈数量级增长的需求，是一个重大科学和技术挑战。携带有轨道角动量(OAM)的电磁波通信在这个契机中应运而生。

轨道角动量是电磁波的基本物理属性，反映电磁波围绕传播方向轴的方位角方向的相位变化参数。对于任意频率的电磁波，轨道角动量的拓扑荷(也称OAM模式)构成一组相互正交的、数目无限多的本征模式。OAM通信就是利用OAM模式这一组电磁波本征模式的阶数(取值l)，作为新的可供调制或复用的参数维度资源，开辟进一步提高频谱效率的新途径。理论上OAM通信具有可无限增加电磁波承载信息量的潜力。

携带拓扑荷为l的轨道角动量波束具有相位因子表现为螺旋状的相位波前。这类光束具有柱对称的传播性质，光束中心光强为零，且在传播过程中保持这一特性。拓扑荷l越大，中心光强为零的半径也越大。目前利用射频OAM这一参数维度应用于无线通信领域尚处于起步阶段，大多数研究侧重于理论分析。射频OAM复用通信面临的一个实际问题是，由于轨道角动量的波束具有发散性，随着传播距离的增加，光束中心光强为零的半径也随之增加，为了获得良好的接收效率，要求接收端具有很大的接收孔径。大孔径的接收机不仅成本高，而且制备不易，运输、安装都不方便。而且，任何接收机的孔径大小都是有限的，这一特性极大限制了多个轨道角动量系统的复用数量。与光轨道角动量通信相比，在射频波段，没有光通信中成熟器件如聚焦透镜可以使得波束集中在小的孔径，也没有灵活的解复用器件如空间光调制器，可以轻松实现部分孔径的解复用。因此，寻求一种新的、可有效实现射频轨道角动量波束解复用的方法，对于促进射频轨道角动量通信的实用化具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于多个射频轨道角动量解复用的取样接收方法，在大大减少接收端的体积和成本的同时实现低串扰的多个轨道角动量模式的解复用。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：

对于一组拓扑荷满足一定规律的射频轨道角动量波束，采用p个天线的取样接收实现p个轨道角动量模式的解复用。

在垂直轨道角动量波束传播主轴的平面、与传播主轴同心的1/n圆弧上均匀分布p个取样天线，天线角向间隔为2π/np。p个拓扑荷l_i满足l_i＝l+nm的轨道角动量波束组成的复用波束，其中l为任意的轨道角动量拓扑荷，m为整数，n为自然数，任意两个拓扑荷的差的绝对值小于(p-1)n。利用p个天线的取样接收可以实现这p个轨道角动量模式的低串扰解复用。

本发明的有益效果：提供了一种适用于多个射频轨道角动量解复用的取样接收方法。选择一组拓扑荷满足规律的轨道角动量波束，通过p个取样天线的位置选择，使得它们在取样接收时保持正交，减少串扰；实现了p个轨道角动量波束的解复用。取样接收方法的采用，大大缓解了射频轨道角动量长距离通信时由于波束发散以及轨道角动量波束中心无能量引起的接收机超大接收孔径的需求。而且，取样接收机制的采用，不同圆弧大小n的选择，可以使得天线灵活分布，不仅降低接收端的制备、运输、安装及综合成本，而且使得长距离射频轨道角动量通信成为可能，促进了射频轨道角动量通信的实用化。

附图说明

图1不同拓扑荷的轨道角动量波束的强度分布图；

图2取样接收的模型；

图3在1/4圆弧上放置4个角向间隔为π/8的4个天线，用以接收拓扑荷为-6，-2，+2,+6四个轨道角动量波复用波束时，接收到的各个轨道角动量波束的归一化功率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

图1是拓扑荷l为2，3，4的轨道角动量波束的强度分布图，中心黑色是能量为零区域。显然,拓扑荷l越大，中心能量为零区域的半径越大。为了提高接收效率，接收端接收孔径的大小需要选择在波束主瓣能量处。复用信道数越多，拓扑荷l越大，接收端的接收孔径越大。这一条件限制了轨道角动量波束的实际应用。

图2给出了取样接收的模型。在垂直于轨道角动量波束传播主轴的平面上，取同心圆的1/n圆弧，在1/n圆弧上均匀分布p个天线，天线角向间隔为2π/np。图2(a)为4个天线分布在n＝1即整个圆弧上，天线角向间隔为π/2。图2(b)为4个天线分布在n＝4的1/4圆弧上，天线角向间隔为π/8。这两种天线分布均可以实现4个拓扑荷满足一定规律的轨道角动量复用波束的模式解复用。n选择得大，天线分布集中，接收端接收天线阵的体积小，但是要求复用的轨道角动量的拓扑荷间隔也比较大。

在取样接收方案，采用在1/n圆弧上均匀分布、天线角向间隔为2π/np的p个天线阵，接收由p个拓扑荷不同{l₁,l₂,…l_p}的轨道角动量波束构成的复用波束。当需要解复用拓扑荷为l_i∈{l₁,l₂,…l_p}的轨道角动量波束时，每个天线上均采取的相位补偿，这样由p个取样天线接收到的不同拓扑荷l_k的信号φ_k为

其中α为初始相位，当l_k＝l_i时，φ_k有值，表明拓扑荷为l_i的轨道角动量复合波束可以被解复用。对于其他l_k≠l_i的轨道角动量波，如果这些拓扑荷l_i满足l_i＝l+nm，其中l为任意的轨道角动量拓扑荷，m为非零整数，且这一组轨道角动量波中任意两个拓扑荷的差的绝对值小于(p-1)n，可以证明φ_k均为零。比如，在1/4圆弧上4个天线接收拓扑荷为-6，-2，+2,+6四个轨道角动量复用波束时，如果要接收l_i＝+6的波束，l_k＝+6可以接收到信号，其他l_k＝-6，-2，+2时无法接收到信号。上述结果表明：拓扑荷满足这种规律的轨道角动量复用波束，采用p个天线取样接收，可以轻松实现模式解复用。进一步可以证明，当要求任意两个拓扑荷的差的绝对值小于(p-1)n，则这组复用波束中最多只能由p个轨道角动量波组成。因此，对于这种射频轨道角动量模式解复用的取样接收，p个天线能实现p个轨道角动量模式的解复用。

图3是用CST电磁仿真软件计算的在1/4圆弧上放置4个角向间隔为π/8的4个天线用来接收拓扑荷为-6，-2，+2，+6四个轨道角动量波复用波束时，接收到的各个轨道角动量波束的归一化功率。可见，接收其中一个轨道角动量波束时，另外三个轨道角动量波束的功率都非常小，有超过40dB的差值。因此这种取样接收可以凭轨道角动量复用波束的模式解复用。

Claims (1)

1.一种用于射频轨道角动量模式解复用的取样接收方法,其特征在于：在垂直轨道角动量波束传播主轴平面，与传播主轴同心的1/n圆弧上，均匀排放相邻天线角向间隔为2π/np的p个天线，可实现p个拓扑荷l_i满足一定规律的射频轨道角动量复用波束的模式解复用；要求p个拓扑荷l_i满足l_i＝l+nm，l为任意的轨道角动量拓扑荷，m为整数，n为自然数，且任意两个拓扑荷的差的绝对值小于(p-1)n。