CN104885302A - 用于生成电磁波束的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生成和/或接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法和装置。天线阵列(2，3)可以包括沿圆周布置、用于生成或接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件。所述天线元件(4，8)沿所述圆周均匀地布置在所述天线阵列的阵列平面中。输入数据流的输入信号矢量与波束成形矩阵相乘，以计算施加至沿所述圆周均匀地布置在天线阵列的阵列平面中的天线元件的传输信号矢量，从而生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束。由天线元件响应于具有可变的轨道角动量OAM状态的入射电磁波束提供的接收信号矢量与所述波束成形矩阵相乘以计算输出数据流的输出信号矢量。在可能实施方案中，所述天线阵列辅以准直元件以便提供更大的有效孔并因此提供更长的通信距离，同时保持馈送天线结构紧凑并且简单。

Description

用于生成电磁波束的方法和装置

背景技术

本发明涉及一种用于接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法和装置。

光的轨道角动量OAM是电磁波束角动量的依赖于场空间分布而不依赖于偏振的分量。光或电磁波的轨道角动量可以与螺旋波前或扭曲波前相关联。

产生携带光角动量OAM状态的光束的最常见的方式是全息图。具有轨道角动量OAM状态的电磁波与普通常规电磁波的不同之处在于，当拍摄时间快照时，可以在具有OAM状态的电磁场为零的电磁波中发现扭曲表面而非平面。换句话说，携带角轨道动量OAM的电磁波具有扭曲形状的波前。另一不同之处在于，对于这种携带轨道角动量OAM的电磁波束或电磁波，其传播轴上场最小。为了正确地使用这种电磁波束用于通信目的，这种携带角轨道动量OAM的电磁场为零的电磁波束的中心必须命中接收天线系统的中心。

Fabrizio Tamburini、Elettra Mari、Anna Sponselli、Bo Thide、AntonioBianchini和Filippo Romanato，“通过无线电旋涡在同一频率上编码多条信道”，新物理杂志，14(033001)，2012年中描述了一种间隔预定距离、使用携带不同轨道角动量，即0和1、处于微波频率的电磁波束来同时传输两条指示数据流的实验性示范。这一实验性设置在图1中示出。

能够传输和接收除了自旋偏振或圆形偏振还具有轨道角动量(OAM)偏振的无线电传输的天线已在英国专利申请GB2410130A中进行了描述。

反射器的扭曲形状应该是通过辐射电磁波束的波前周期性重复，形成平滑的扭曲表面。在图1中所示的实验性设置中，发现存在奇点区域，其中辐射电磁场较弱。因此，在该实验性设置中，在接收侧处没有使用过改良反射器天线，如图1中所示。而是，从图1右侧所示的两个间隔较宽的携带电磁波束天线接收差分输出以解码角轨道动量OAM。为了同时接收两种类型的电磁波束，已同时在传输侧和接收侧增加了单独的常规天线，示为图1的左侧和右侧中部的八木宇田天线。

常规的多输入多输出MIMO系统同时在发射器和接收器处使用多个天线以提高通信性能。在MIMO系统中，总传输功率分布在不同的天线上以实现提高频谱效率的阵列增益，或实现提高链路可靠性(减少衰落)的多样性增益。常规MIMO系统通常使用线性天线阵列或均匀圆形阵列，其中所生成的电磁波束辐射在阵列的平面上，即所谓的方位角阵列。

在视距LOS通信中，天线元件必须分开，因为有用的通信距离强烈依赖于所谓的瑞利距离。当通信距离较远时，仅一个MIMO本征矢量(对于单偏振)具有相对较高的本征值并可以提供良好的传输信道。在嘈杂环境中，所有其它的MIMO信道由于强烈的信号衰减均具有低容量。这导致总容量较低，并且因此更高的MIMO模式是视距LOS多输入多输出MIMO系统的瓶颈。

因此，需要一种提供较低信号衰减的方法和装置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种天线阵列。

根据本发明的第一方面的天线阵列的第一可能实施方案，天线阵列包括沿圆周布置、用于生成或接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第一实施方案的第二可能实施方案中，天线元件沿所述圆周均匀地布置在所述天线阵列的阵列平面中。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第一实施方案或第二实施方案的另一第三实施方案中，天线阵列的天线元件经由连接线路连接至天线阵列馈送电路。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第三实施方案的另一可能第四实施方案中，天线阵列馈送电路用于在传输机制中通过将波束成形矩阵与对应于活跃输入端口的输入信号矢量相乘来提供施加至所述天线阵列的所述天线元件的传输信号矢量。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第一实施方案至第四实施方案的另一可能第五实施方案中，天线阵列馈送电路还用于在接收机制中通过将波束成形矩阵与从所述天线阵列的所述天线元件接收到的接收信号矢量相乘来计算输出信号矢量。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第一实施方案至第五实施方案的另一可能第六实施方案中，所述天线阵列的天线元件布置在具有垂直于所述天线阵列所生成或所接收的电磁波束的传播方向的取向的阵列平面中。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第六实施方案的另一可能第七实施方案中，所述天线阵列的阵列平面位于准直元件的焦平面处。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第七实施方案的另一可能第八实施方案中，准直元件包括抛物面反射器。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第七实施方案的另一可能第九实施方案中，准直元件包括准直透镜。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第七实施方案的另一可能第十实施方案中，准直元件包括衍射光栅。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第一实施方案至第十实施方案的另一可能第十一实施方案中，天线阵列的天线阵列元件围绕共同轴布置在平行于锥形透镜的基平面的平面中。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第十一实施方案的另一可能第十二实施方案中，锥形透镜用于使由所述天线阵列辐射至所述锥形透镜的基平面的入射莱格高斯电磁波束变形为贝塞尔电磁波束。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第十一实施方案或第十二实施方案的另一可能第十三实施方案中，锥形透镜还用于使施加至所述锥形透镜的侧表面的入射贝塞尔电磁波束变形为施加至所述天线阵列的莱格高斯电磁波束。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第一实施方案至第十三实施方案的另一可能第十四实施方案中，天线元件包括定向性天线元件。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第一实施方案至第十四实施方案的另一可能第十五实施方案中，所述圆形天线阵列内的天线元件连接至馈送电路的输出端口。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第十五实施方案的另一可能第十六实施方案中，所述圆形天线阵列内的天线元件经由传输线路和信号耦合元件连接至馈送电路的输出端口。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第三实施方案至第十六实施方案的另一可能第十七实施方案中，天线阵列馈送电路包括用于执行基带信号与射频信号之间的转换的基带/射频转换器，以及由所述天线元件使用的RF信号分配电路。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第一实施方案至第十七实施方案的另一可能第十八实施方案中，天线阵列用于向远程天线阵列辐射电磁波束以及从远程天线阵列接收电磁波束。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第三实施方案至第十八实施方案的另一可能第十九实施方案中，天线阵列和天线阵列馈送电路集成在印刷电路板上。

在根据本发明的第一方面的天线阵列的第五实施方案至第十九实施方案的另一可能第二十实施方案中，波束成形矩阵由N×N个复数波束成形矩阵元素Bmi组成，

其中 $B_{mi}=k_m\·e^{\±j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}m\·i},$

其中，N为所述天线阵列内的天线元件的总数，

$m=0,\±,1\±2...\≤\frac{N}{2}$

为OAM状态的OAM状态编号，

i＝0，1，2，……，N-l为天线阵列内特定天线元件的编号，

k_m为归一化系数。

根据本发明的另一第二方面，提供了一种多输入多输出MIMO天线系统，该多输入多输出MIMO天线系统包括至少一个根据本发明的第一方面的天线阵列的可能实施方案之一的天线阵列。

根据另一第三方面，本发明提供了一种点对点通信系统。

根据本发明的第三方面的点对点通信系统的可能实施方案中，点对点通信系统包括：具有沿圆周布置、用于生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件的至少一个传输天线阵列，以及具有沿圆周布置、用于接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件的至少一个接收天线阵列。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法。

根据本发明的第四方面的用于生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法的可能实施方案，输入数据流的输入信号矢量从左侧与波束成形矩阵相乘，以计算施加至沿圆周均匀地布置在天线阵列的阵列平面中的天线元件的传输信号矢量，从而生成具有可变的轨道角动量OAM状态的所述电磁波束。

根据本发明的第五方面，提供了一种用于接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法。

根据本发明的第五方面的用于接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法的可能实施方案，由沿圆周均匀地布置在天线阵列的阵列平面中的天线元件响应于具有可变的轨道角动量OAM状态的入射电磁波束提供的接收信号矢量从左侧与波束成形矩阵相乘以计算输出数据流的输出信号矢量。

附图说明

在下文中，参照所附附图对本发明的不同方面的可能实施方案进行了详细描述。

图1示出根据现有技术的同时传输两个信号的实验性设置；

图2示出用于示出根据本发明的第一方面的天线阵列的可能实施方案的图；

图3示出用于说明根据本发明的第一方面的天线阵列的可能实施方案的图；

图4示出根据本发明的另一方面的多输入多输出MIMO天线系统的可能实施方案；

图5示出用于根据本发明的方面的天线阵列的可能实施方案的方框图；

图6示出根据本发明的另一方面的点对点通信系统；

图7示出用于说明根据本发明的另一方面的点对点通信系统的另一可能实施方案的图；

图8示出用于说明根据本发明的方面的多输入多输出MIMO天线系统的可能实施方案的图；

图9示出用于说明根据本发明的方面的多输入多输出MIMO天线系统的可能实施方案的图；

图10示出用于说明在根据本发明的方面的天线阵列的可能实施方案中生成的场分布的图；

图11示出在根据本发明的第一方面的天线阵列中所使用的抛物面式两端口天线系统的可能实施方案。

具体实施方式

图2示出根据本发明的方面的具有至少一个传输天线阵列2和至少一个接收天线阵列3的点对点通信系统1的可能实施方案。

传输天线阵列2和接收天线阵列3形成根据本发明的第一方面的天线阵列的可能实施例。图2中所示的至少一个传输天线阵列2具有沿圆周布置并且用于生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件4-1。在图2中所示的实施方案中，传输天线阵列2包括沿圆周布置并连接至馈送电路5的8个天线元件4-1至4-8。馈送电路5可以借助于图2中所示的传输线路6-i连接至传输天线阵列2的所有天线元件4-i。馈送电路5可以安装至图2中所示的天线杆7。天线杆7可以固定到地面上。

在图2所示的实施方案中，接收天线阵列3以与传输天线阵列2类似的方式布置。接收天线阵列3包括连接至接收天线阵列3中心的馈送电路9的天线元件8-1至8-8，并且馈送电路9经由图2中所示的传输线路10-i连接至天线元件8-i。该装置可以安装至固定到地面上的天线杆11。接收天线阵列3具有沿圆周布置、用于从传输阵列2接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件8-i。在可能实施方案中，传输天线阵列2的天线元件4-i和接收天线阵列3的接收天线元件8-i沿圆周均匀地布置在相应天线阵列的阵列平面中。这也示出于图3中。图3示意性地示出包括N个不同天线元件的天线阵列中的天线元件位置和馈送相位，其中m为OAM状态编号， $m=0,\±1,\±2...\≤\frac{N}{2}.$

天线阵列2、3内的天线元件的数量N可以变化。取决于天线阵列的应用，围绕中心的圆周的直径也可以不同。

如图2中所示，传输天线阵列2的天线元件4-i经由连接线路6-i连接至天线杆7处的天线阵列馈送电路5。天线阵列馈送电路5用于在传输机制中通过将波束成形矩阵B与对应于活跃输入端口的输入信号矢量相乘来提供施加至天线阵列的天线元件4-i的传输信号矢量。另外，天线阵列馈送电路5用于在接收机制中通过将波束成形矩阵B与从所述天线阵列2的所述天线元件4-I接收到的接收信号矢量相乘来计算输出信号矢量。

在图2中所示的点对点通信系统1的可能实施方案中，传输天线阵列的天线元件4-i用于生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束，而接收天线阵列3的天线元件8-i用于接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束。在图2中所示的点对点通信系统1的另一可能实施方案中，天线阵列2、3两者的天线元件4-i和天线元件8-i用于生成和接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束。因此，在这一实施方案中，天线阵列2、3既可以作为传输天线阵列也可以作为接收天线阵列工作或操作。

天线阵列2、3的天线元件布置在具有垂直于天线阵列2、3所生成或所接收的电磁波束的传播方向的取向的阵列平面中。

在可能实施方案中，天线阵列的阵列平面位于准直元件的焦平面处。该准直元件可以是如图6中示例性地示出的抛物面反射器。在可替代实施方案中，准直元件还可以包括准直透镜。在又一可能实施方案中，准直元件也可以通过衍射光栅形成。在根据本发明的第一方面的天线阵列2、3的另一可能实施方案中，天线阵列可以围绕共同轴布置在平行于锥形透镜的基平面的平面中。如图4中还示出，该锥形透镜用于使由天线阵列2、3辐射至锥形透镜的基平面的入射莱格高斯电磁波束变形为贝塞尔电磁波束。另外，锥形透镜用于使施加至锥形透镜的侧表面的入射贝塞尔电磁波束变形为施加至天线阵列2、3的莱格高斯电磁波束。

根据本发明如图2中所示的第一方面的天线阵列2、3的天线元件4-i、8-i包括定向性天线元件。圆形天线阵列中的天线元件可以连接至输入/输出数据流的数据流端口。在可能实施方案中，图2中所示的天线馈送电路5可以包括用于执行基带信号与天线阵列2的天线元件4-i所使用的射频信号之间的转换的基带/射频转换器。天线阵列2用于向远端天线阵列3辐射电磁波束，并且可以同时用于从远端天线阵列3接收电磁波束。在根据本发明的第一方面的天线阵列2、3的可能实施方案中，天线阵列的天线元件和天线阵列馈送电路5、9可以集成在印刷电路板PCB上。图2中所示的点对点通信系统1在工作的天线阵列系统中使用具有OAM状态的电磁波束，其中电磁波束的传播方向垂直于阵列平面。圆形天线阵列2、3可以基本上从线性波束成形阵列通过将天线元件从线性布置重新布置成图2中所示的圆形配置构造而成。因此，可以应用类似的波束成形矩阵矢量而不必对软件作大的修改。具有沿圆周均匀地布置在天线阵列2的阵列平面中的天线元件以及借助于连接线路6-i连接至天线元件4-i的中心馈送电路5的所述天线阵列接收输入信号矢量，输入信号矢量与波束成形矩阵B相乘以提供施加至传输天线阵列2的天线元件4-i的传输信号矢量。通过这种方式，产生或生成了电磁波束，但是，与常规波束成形过程相比，OAM状态是变化的而非波束的空间方向。在接收机制中，根据可能实施方案的天线阵列3用于在接收机制中通过将波束成形矩阵B与从相应天线阵列3的天线元件8-i接收到的接收信号矢量相乘来计算输出信号矢量。

为了生成具有OAM状态的电磁波束，可以提供具有可写成的圆形相位分布的孔，其中，A(r)为确定电磁场的幅度的函数，其仅取决于距波束中心的距离，并且其中为给出提供场相位的信号分量，m＝0，±1，±2，±3，……为OAM状态编号，天线元件的放置角度。在天线元件4-i、8-i的数量有限的情况下，在可能实施方案中，天线元件可以以角度沿圆周均匀地布置。每个传输天线元件4-i用对应的复数振幅激励。振幅A(r)的值可以是恒定的，因为天线阵列内天线元件的圆形配置包括恒定的半径或直径。因此，天线阵列2内的天线元件4-i的复数激励振幅可以写成如果OAM状态编号m＝0，1，2，3，……，N-1，那么可以构造具有矢量元素的矢量，并将这些矢量分量组合在波束成形矩阵B中。可以注意到，由于函数的周期性，对应于m＝N，N+1，N+2的矢量重复已构造的矢量。因此，对于N个不同的天线元件4-i，根据本发明的第一方面的具有N个元件的天线阵列2可以提供N个不同的OAM状态。

在图2中示意性地示出的圆形多输入多输出MIMO阵列系统中，传输天线阵列2和接收天线阵列3可以由沿具有大直径的圆周均匀地布置的诸如贴片(patches)或喇叭(horns)之类的定向性天线元件构成。直径可以是任意配置的，并且在可能实施方案中，在2.4GHz频率区域下，可以包括10cm以上的直径。为了生成具有特定OAM状态的电磁波束，以使得如图3中还示出的这种圆周上增量相移为360度整数倍的方式向天线元件4-i馈送线性分布相位。

也就是说，可能的波束成形矩阵B给出如下：

$B={\left(\begin{array}{ccccc}{k}_1& k_2& k_3& \mathrm{...}& k_N\\ k_1& k_2\·e^{-j\·1\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}.1}& k_3\·e^{-j\·2\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}.1}& \mathrm{...}& k_N\·e^{-j\·(N-1)\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}.1}\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ k_1& k_2\·e^{-j\·1\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}(N-2)}& k_3\·e^{-j\·2\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}(N-2)}& \mathrm{...}& k_N\·e^{-j\·(N-1)\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}(N-2)}\\ k_1& k_2\·e^{-j\·1\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}.(N-1)}& k_3\·e^{-j\·2\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}.(N-1)}& \mathrm{...}& k_N\·e^{-j\·(N-1)\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}.(N-1)}\end{array}\right)}^T$

其中系数k₁、k₂、……、k_N为任意的实数或复数。例如，在可能实施例中，数k₁、k₂、……、k_N可以根据注水算法(water-filling algorithm)来选择。波束成形矩阵元素中的每一列均以递进相移排列。可以看出，波束成形矩阵的列互相正交。

在紧凑形式中，波束成形矩阵B的矩阵元素可以表达为：

$B_{mi}=k_m\·e^{\±j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·m\·i};$ B_mi非P

其中i＝0,1,2...,N-1，其中，N为天线元件的总数，i为特定天线元件的编号，m为相应OAM状态的编号。波束成形矩阵B的元素可以在芯片级别和射频级别上实现或实施。在可能实施方案中，天线阵列馈送电路9、5用于在传输机制中通过将波束成形矩阵B与对应于活跃端口的输入信号矢量相乘来提供施加至天线阵列2的天线元件4-i的传输信号矢量。在接收机制中，天线阵列馈送电路5可以用于将波束成形矩阵B与从天线阵列2的天线元件4-i接收到的接收信号矢量相乘以计算输出信号矢量。

在天线阵列内的天线元件4-i的数量只有N＝2的情况下，波束成形矩阵B化简为：

$B={\left(\begin{array}{cc}1& -1\\ 1& 1\end{array}\right)}^T$

这对应于自由空间中基于2×2OAM的MIMO的情况，这种情况可以例如利用也在图4中示出的魔T接头(magic-T junction)同样在RF级别上方便地实现。魔T或魔T接头是微波系统中使用的一种功率分路器/合路器。魔T是从功率在各个端口之间的分配方式而来。注入魔T的H平面(所谓的总和)端口的信号在其它两个端口之间平均分配并且将是同相的。注入E平面(差分)端口的信号也在两个端口之间平均分配但将180度异相。

在图4中所示的实施方案中，传输天线元件4-1、4-2借助于金属波导6-1、6-2作为传输线路连接至魔T接头12。以相同的方式，接收天线阵列3的接收天线元件8-1、8-2经由金属波导10-1、10-2连接至魔T接头13。传输天线阵列2和接收天线阵列3形成具有彼此面对的传输天线阵列2和接收天线阵列3的点对点通信系统1。传输天线阵列2与接收天线阵列3之间的距离d可以根据不同的应用而变化。天线阵列2、3内的天线元件可以由例如喇叭天线(horn antenna)或微波喇叭(microwave horns)的定向性天线元件形成。喇叭天线由状如喇叭的扩口金属波导构成以引导波束中的无线电波。由于喇叭天线不具有谐振元件，因此它可以在较宽的频率范围内操作，即，它具有宽带宽。在图4中所示的实施例中，在特殊实施方案中，每个天线阵列2、3中仅提供两个天线元件。如果OAM-0端口为端口1并且OAM-1端口为端口2，假定通信信号只进入端口1，而第二数据流只进入端口2。因此，在该示例中，输入信号矩阵由下式给出：

${\stackrel{\‾}{x}}_{TX}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)$

如果波束成形矩阵B与传输信号矢量1相乘，则得到：

${\stackrel{\‾}{y}}_{TX}=B*{\stackrel{\‾}{x}}_{TX}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right)*\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right)$

在接收侧，具有类似的接收信号矢量，因为这些矢量是信道矩阵H的本征矢量。如果点对点通信系统1的接收侧处的信号合成电路使用相同的波束成形矩阵B，那么可以如下计算输出信号矢量：

${\stackrel{\‾}{x}}_{RX}=B*{\stackrel{\→}{y}}_{RX}={\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right)}^{*}*\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_1\·1& {\mathrm{\λ}}_2\·1\\ {\mathrm{\λ}}_1\·1& {\mathrm{\λ}}_2\·(-1)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}2{\mathrm{\λ}}_1& 0\\ 0& 2{\mathrm{\λ}}_2\end{array}\right)$

到达传输侧处端口1的信号从接收侧处端口1离开，而不影响第二接收端口。类似地，传输侧处端口2处的信号从接收侧处端口2离开。因此，点对点通信系统1包括两个独立的通信信道。

在天线阵列2、3包括四个天线元件的情况下，预编码的波束成形矩阵B可以是：

$B={\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -j& -1\\ 1& -1& -1& 1\\ 1& -j& j& -1\end{array}\right)}^T$

类似地，传输信号矢量如下：

${\stackrel{\→}{y}}_{TX}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -j& -1\\ 1& -1& -1& 1\\ 1& -j& j& -1\end{array}\right)$

在电磁波束传播通过信道后，得到：

${\stackrel{\→}{y}}_{RX}=\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_0& {\mathrm{\λ}}_{+1}\·1& {\mathrm{\λ}}_{-1}\·1& {\mathrm{\λ}}_2\·1\\ {\mathrm{\λ}}_0& {\mathrm{\λ}}_{+1}\·j& {\mathrm{\λ}}_{-1}\·(-j)& {\mathrm{\λ}}_2\·(-1)\\ {\mathrm{\λ}}_0& {\mathrm{\λ}}_{+1}\·(-1)& {\mathrm{\λ}}_{-1}\·(-1)& {\mathrm{\λ}}_2\·1\\ {\mathrm{\λ}}_0& {\mathrm{\λ}}_{+1}\·(-j)& {\mathrm{\λ}}_{-1}\·j& {\mathrm{\λ}}_2\·(-1)\end{array}\right)\·$

如果共轭波束成形矩阵B乘以y个矢量，则得到：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{x}}_{RX}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -j& -1& j\\ 1& j& -1& -j\\ 1& -1& 1& -1\end{array}\right)*\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_0& {\mathrm{\λ}}_{+1}\·1& {\mathrm{\λ}}_{-1}\·1& {\mathrm{\λ}}_2\·1\\ {\mathrm{\λ}}_0& {\mathrm{\λ}}_{+1}\·j& {\mathrm{\λ}}_{-1}\·(-j)& {\mathrm{\λ}}_2\·(-1)\\ {\mathrm{\λ}}_0& {\mathrm{\λ}}_{+1}\·(-1)& {\mathrm{\λ}}_{-1}\·(-1)& {\mathrm{\λ}}_2\·1\\ {\mathrm{\λ}}_0& {\mathrm{\λ}}_{+1}\·(-j)& {\mathrm{\λ}}_{-1}\·j& {\mathrm{\λ}}_2\·(-1)\end{array}\right)=\\ =\left(\begin{array}{cccc}4{\mathrm{\λ}}_0& 0& 0& 0\\ 0& 4{\mathrm{\λ}}_{+1}& 0& 0\\ 0& 0& 4{\mathrm{\λ}}_{-1}& 0\\ 0& 0& 0& 4{\mathrm{\λ}}_2\end{array}\right)\end{array}$

在可能实施方案中，共轭是不必要的，因为它确实仅使得两个非零矩阵元素位于另一位置。因此，到达一个传输侧处端口的信号在接收侧处端口离开，与所有其它端口保持隔离。这可以在芯片级别和RF级别上，例如借助于图5中所示布置中的所谓的巴特勒矩阵来实现。图5示出利用4个天线元件RF级别上的OAM波束成形。

对于任意数量的天线元件的情况，元件配置和相位分布可以如图2和图3中所示执行。同样，可以应用芯片级别波束成形矩阵或巴特勒矩阵。芯片级别波束成形最终倾向于对于较大数量N的天线元件4-i、8-i更为合适。

对于视距LOS多输入多输出MIMO系统并且对于较远通信距离d，较大的阵列尺寸是必需的。如果保持天线阵列2、3的阵列元件的数量不变，那么天线元件4-i、8-i之间的元件间隔距离必须增加，这会导致更高水平的旁波束(side lobes)。如果天线元件间隔较大，会产生旁波束并且丢失大量的辐射功率。另一方面，覆盖有具有较小元件间隔，例如波长的一半的天线元件的较大区域则意味着大量天线元件并且因而系统的复杂性巨大。因此，为了避免旁波束外观，可以保持天线元件之间的元件间隔较小并增加天线元件4-i、8-i的数量，然而，这会造成点对点通信系统1的复杂性很大。另外，需要更长的连接天线元件的传输线路，这会导致额外的困难。

因此，在根据本发明的天线阵列2、3的可能实施方案中，紧凑的圆形天线阵列2、3被制造并用作用于大准直元件的馈送。在可能实施例中，紧凑圆形天线阵列2、3可以与相应天线阵列馈送电路5、9一起集成在印刷电路板PCB上。在可能实现方案中，此类准直元件可以由如图6中所示的抛物面反射器14、15形成。在可替代实施方案中，准直元件也可以由准直透镜或衍射光栅形成。

在图6所示实施例中所示的点对点通信系统1中，点对点通信系统1包括传输天线阵列2和接收天线阵列3，在所示实施方案中，传输天线阵列2和接收天线阵列3集成在印刷电路板PCB上。集成在印刷电路板PCB上的传输天线阵列2的天线阵列平面位于由抛物面反射器形成的第一准直元件14的焦平面处。以相同的方式，集成在印刷电路板PCB上的接收天线阵列3的天线阵列平面位于同样由抛物面反射器形成的第二准直元件15的焦平面处。传输天线阵列2与接收天线阵列3之间具有视距LOS通信信道。在图6中所示的点对点通信系统1的可能实施例中，两个天线阵列2、3能够传输和接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束。点对点通信系统1具有拥有由准直元件14、15形成的准光学元件的圆形天线阵列。在可能实施例中，接收部分和传输部分可以由相同的元件形成。在可能实施例中，图6中所示的点对点通信系统提供电磁波束在同一时间的双向传输和接收。图6示出根据本发明的可能实施方案的抛物面式基于4×4OAM的MIMO系统。

形成虚拟MIMO天线阵列的抛物面反射器14、15的孔生成场分布，其中元件间距与反射器大致相同。取决于馈送天线元件的相位分布，可以在反射器孔处产生类似圆形相位分布。图6中所示的LOS场景中的圆形MIMO天线阵列自动地意味着利用轨道角动量OAM状态。

不需要对输入和输出信号进行修改，并且在图6的点对点通信系统1的输入侧或输出侧处只有天线阵列的尺寸可能不同。在所示实施例中，天线阵列2、3是紧凑的并且近似布置在形成准直元件的抛物面反射器14、15的焦平面中。与拥有具有匹配连接缆线长度的宽间隔元件的阵列相比，如图6中所示的紧凑圆形天线阵列2、3和抛物面反射器的组合使得整个系统更便宜并且更容易组装。

已知非衍射贝塞尔波束在中部具有一个或多个场强度峰值(中心可能恰好为零)。严格地说，贝塞尔光束要求无限大的孔，然而，如果孔被截断，那么所得波束仍可以在一定距离上保持不变。这种准贝塞尔光束或伪贝塞尔光束可以在光学中例如利用其后有透镜的环形孔来生成。对于微波，环形或圆形的孔可以利用圆形天线阵列近似重现。如果将这种天线阵列与诸如透镜之类的准光学元件或与如图6中所示的抛物面反射器结合，也可以生成贝塞尔波束。在图6中所示的实施例中，传输侧和接收侧可以是相同的并且沿传播轴对齐。在两侧，圆形天线阵列2、3近似布置在相应抛物面反射器14、15的焦平面中。为了使用天线阵列，也方便引入传播轴周围电磁场的场相位变化，即，轨道角动量OAM状态。为了使较高OAM模式的传输系数最大化，可以调整馈送阵列定位。由于携带非零OAM状态的电磁波束包括中心处的零场，因此反射波束几乎不被馈送阵列阻碍。

图7中示出点对点通信系统1的另一可能实施方案。在图7中所示的该实施例中，天线阵列2具有围绕共同轴布置在平行于锥形透镜16的基平面的平面中的天线阵列元件。该锥形透镜也可以称为轴棱镜。在图7中所示的实施方案中，点对点通信系统1包括第一锥形透镜16和第二锥形透镜17。锥形透镜16用于使由天线阵列2辐射至锥形透镜16的基平面的入射莱格高斯电磁波束变形为贝塞尔电磁波束，随后贝塞尔电磁波束传输至如图7中所示的第二锥形透镜17的侧表面。第一锥形透镜16还用于使提供至锥形透镜16的侧表面的入射贝塞尔电磁波束变形为施加至天线阵列2的莱格高斯电磁波束。从第一锥形透镜16的侧表面辐射的贝塞尔电磁波束传输至如图7中所示的第二锥形透镜17的侧表面，在第二锥形透镜17的侧表面处它们被重新变形为施加至第二天线阵列3的莱格高斯电磁波束。两个锥形透镜16、17在形状上可以类似，每个锥形透镜均具有面对相应的天线阵列2、3的基平面。锥形透镜16、17的侧表面彼此面对，相距例如10m的预定距离。天线阵列2、3与相关联的锥形透镜16、17之间的距离可以是可调节的，并且在对应于波束的近似一个波长的范围内。

在可能实施方案中，根据本发明的第一方面的天线阵列2、3包括可以看作以圆形布置来布置的至少两个天线元件，因为有可能穿过天线元件的位置绘制圆，以使得这些天线元件沿圆周均匀地间隔开，即在圆周的直径上。如果以反相馈送天线阵列的两个这样的天线元件，在一定意义上，则生成具有+1和-1的OAM状态的两个波束，并且它们在两束普通波束上相加。这种情况类似于两束电磁波，一束具有左手偏振另一束具有右手偏振，组成普通线性偏振波的情况。

在图8中，示出利用HFSS建模的MIMO系统的配置。为简单起见，接收部分和传输部分处产生/接收普通波束(OAM＝0)的天线元件示出为普通贴片天线(端口OAM0Tx和OAM0Rx)并且布置在所示结构的中部。为了产生具有OAM状态＝1的波束，提供了以反相馈送的两个天线元件。这可以利用使用微带线和中部端口(见端口OAM1Tx和OAM1Rx)连接的两个贴片天线来完成。所有贴片尺寸和探针定位均可以调整以提供最小反射。

为了评价准光学元件的影响，例如两个锥形透镜或轴棱镜，可以将这些元件添加至同一设置并且模拟结果可以相互比较。包括轴棱镜或锥形透镜16、17的配置示出于图9中。计算结果总结于下表中：

配置	“简单”	具有轴棱镜
			传输，OAM＝0，单位dB	-42.7	-32.8
传输，OAM*1，单位dB	-64.3	-50.9

可以看出，对于普通天线元件，在传输系数上有超过l0dB的改进，对于其它信道甚至更高，即13.6dB。这意味着，在通信距离有限的情况下，有可能提高所有数据信道的信噪比SNR，并且因此显著提高整体信号数据速率。类似效果可以利用电介质透镜和抛物面反射器获得。

图10示出当以90度相移馈送天线元件时由圆形4元件贴片阵列产生的电磁场的场分布。在HFSS窗口中，当接通动画模式HFSS时，图10中所示的图案确实旋转。

图11中示出根据本发明的方面的抛物面式MIMO天线系统的可能实施方案。为简单起见，示出了双端口配置。为了生成普通电磁波束，一个天线元件就足够了。为了生成OAM-1波束，以反相馈送两个贴片天线元件。图11中端口2处示出这种情况的一种简单实施方案。在可能实施方案中，具有100×100mm方形接地平面的三个贴片天线被置于具有1m直径和0.5m焦距的抛物面反射器的焦平面中。辐射方向朝向抛物面反射器，并且贴片天线实际上位于接地平面的后面。这种组合系统可以用作点对点通信系统1的传输部分。可以在150m外布置一个相同系统用于接收信号。这种模型可以利用HFSS，例如对于2.45GHz的频率进行计算。计算出的传输结果如下：

自→至	1→1	2→2
			传输，dB	-58	-71
寄生耦合，dB	-86	-84

在MIMO系统中，所谓的条件比，即信道矩阵的最大本征值除以最小本征值，如果条件比不超过10，都被认为是可接受的。也就是说，20dB的信道传输系数差被认为是令人满意的。使用计算出的传输结果，在这种情况下，信道传输系数差为：-58-(-71)＝13dB<20dB。在可替代实施方案中，类似MIMO系统可以设计具有四个天线元件。根据本发明的另一方面，提供了一种多输入多输出MIMO天线系统，包括：具有沿圆周布置、用于生成或接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件的至少一个天线阵列。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法。在这种方法的可能实施方案中，输入数据流的输入信号矢量与波束成形矩阵B相乘，以计算施加至沿圆周均匀地布置在天线阵列的阵列平面中的天线元件的传输信号矢量，从而生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法。在这种方法的可能实施方案中，由沿圆周均匀地布置在天线阵列的阵列平面中的天线元件响应于具有可变的轨道角动量OAM状态的入射电磁波束提供的接收信号矢量与波束成形矩阵B相乘以计算输出数据流的输出信号矢量。在可能实施例中，这些用于生成和/或接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法可以由包括用于执行相应方法的步骤的指令的计算机程序执行。该程序可以存储在设备的程序存储器中。

用于生成或接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法和装置可以用于静态通信系统1中，尤其是点对点通信系统，如无线电中继链路、固定点对点无线链路；点通信系统，尤其是在多条高数据速率流必须在同一频带中在相同方向上并且以相同偏振独立地传输的情况下。根据本发明的方面，提供了一种包括沿圆周布置、辐射出方向垂直于阵列平面的波束的天线元件的天线阵列，其中波束成形矩阵用于生成具有所需OAM状态的电磁波束。

预编码可以在基带级别和RF级别两种级别上执行。可以在该设备中应用常规的波束成形信号处理技术。

圆形MIMO天线阵列与抛物面反射器或透镜或锥形透镜或任何其它准光学元件的组合可以用于使较高OAM状态下传输系数最大化。紧凑圆形天线阵列与抛物面反射器的组合使整个系统更便宜。另外，与具有需要匹配连接缆线长度的宽间隔天线元件的阵列相比，这种系统可以更容易组装。所发射和接收的是非衍射波束，衰减较小，并且可以维持一定距离，之后它们消失并且不会产生任何可观干扰。

Claims (17)

1.一种包括沿圆周布置、用于生成或接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件(4；8)的天线阵列(2；3)；其特征在于，

所述天线元件(4；8)沿所述圆周均匀地布置在所述天线阵列(2；3)的阵列平面中；所述天线阵列(2；3)的所述天线元件(4；8)经由连接线路(6；10)连接至天线阵列馈送电路(5；9)；所述天线阵列馈送电路(5；9)用于在传输机制中通过将波束成形矩阵B与对应于活跃输入端口的输入信号矢量相乘来提供施加至所述天线阵列(2；3)的所述天线元件(4；8)的传输信号矢量，并且在接收机制中通过将所述波束成形矩阵B与从所述天线阵列(2；3)的所述天线元件(4；8)接收到的接收信号矢量相乘来计算输出信号矢量。

2.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列(2；3)的所述天线元件(4；8)布置在具有垂直于所述天线阵列(2；3)所生成或所接收的所述电磁波束的传播方向的取向的阵列平面中。

3.根据权利要求2所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列(2；3)的所述阵列平面位于准直元件(14；15)的焦平面处。

4.根据权利要求3所述的天线阵列，其特征在于，所述准直元件(14；15)包括抛物面反射器、准直透镜或衍射光栅。

5.根据前述权利要求1至4之一所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列(2；3)的所述天线阵列元件(4；8)围绕共同轴布置在平行于锥形透镜(16；17)的基平面的平面中。

6.根据权利要求5所述的天线阵列，其特征在于，所述锥形透镜(16；17)用于使由所述天线阵列(2；3)辐射至所述锥形透镜(16；17)的基平面的入射莱格高斯电磁波束变形为贝塞尔电磁波束，并且还用于使施加至所述锥形透镜(16；17)的侧表面的入射贝塞尔电磁波束变形为施加至所述天线阵列(2；3)的莱格高斯电磁波束。

7.根据前述权利要求1至6之一所述的天线阵列，其特征在于，所述天线元件(4；8)包括定向性天线元件。

8.根据前述权利要求1至7之一所述的天线阵列，其特征在于，所述圆形天线阵列(2；3)内的所述天线元件(4；8)连接至所述馈送电路(5；9)的输出端。

9.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于，所述圆形天线阵列(2；3)内的所述天线元件(4；8)经由传输线路和信号耦合元件连接至所述馈送电路(5；9)的所述输出端。

10.根据前述权利要求1至9之一所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列馈送电路(5；9)包括用于执行基带信号与所述天线元件(4；8)所使用的射频信号之间的转换的基带/射频转换器。

11.根据前述权利要求1至10之一所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列(2；3)用于向远程天线阵列(3；2)辐射电磁波束以及从远程天线阵列(3；2)接收电磁波束。

12.根据前述权利要求1至11之一所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列(2；3)和相关联的天线阵列馈送电路(5；9)集成在印刷电路板PCB上。

13.根据前述权利要求1至12之一所述的天线阵列，其特征在于，所述波束成形矩阵B由N×N个复数波束成形矩阵元素B_mi组成，其中其中，N为所述天线阵列(2；3)内的天线元件(4；8)的总数，

为OAM状态的OAM状态编号，

i＝0，1，2，……，N-l为所述天线阵列(2；3)内特定天线元件(4；8)的编号，

k_m为归一化系数。

14.一种包括至少一个根据前述权利要求1至13之一所述的天线阵列(2；3)的多输入多输出MIMO天线系统。

15.一种点对点通信系统(1)，其特征在于，包括：具有沿圆周布置、用于生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件(4)的至少一个传输天线阵列(2)，以及具有沿圆周布置、用于接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的天线元件(8)的至少一个接收天线阵列(3)。

16.一种用于生成具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法，其特征在于，输入数据流的输入信号矢量与波束成形矩阵B相乘，以计算施加至沿圆周均匀地布置在天线阵列(2)的阵列平面中的天线元件(4)的传输信号矢量，从而生成具有可变的轨道角动量OAM状态的所述电磁波束。

17.一种用于接收具有可变的轨道角动量OAM状态的电磁波束的方法，其特征在于，由沿圆周均匀地布置在天线阵列(3)的阵列平面中的天线元件(8)响应于具有可变的轨道角动量OAM状态的入射电磁波束提供的接收信号矢量与波束成形矩阵B相乘以计算输出数据流的输出信号矢量。