CN106230133A - 一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统 - Google Patents

Abstract

一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统，涡旋电磁波OAM模式形成网络模块将n路信号进行移相处理，功率放大器阵列模块对n路信号进行功率放大，环形天线阵列模块形成n个模式正交的涡旋电磁波并发射，环形接收阵列模块对n个模式正交的涡旋电磁波波束进行解调，得到信号、能量电流，涡旋电磁波OAM模式分解网络模块移相得到数据信号，整流电路阵列模块进行微波能量整流。本发明通过在数据收发端合理配置环形天线阵列、OAM模式形成/分解网络，可以灵活多变的形成多种模式正交的涡旋电磁波波束用于微波能量和信息的协同传输，具有较好的能量及数据传输效果。

Description

一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统

技术领域

本发明涉及微波无线能量传输和无线通信技术相结合技术领域，特别是一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统，通过将信息与能量传输相结合实现了携能通信，在保证微波能量传输窄带高效工作的同时，还可以保证信息的高传输速率，解决了涡旋电磁波用于微波能量传输时带来的波束扩散和非垂直入射导致的反射问题。

背景技术

微波能量传输技术的进一步发展是考虑将信息与能量使用同一载波、同一收发系统进行协同传输，信息与能量协同传输首先要解决的问题是能量与信息协同传输的相互影响问题。微波能量传输系统高效工作时其频率带宽很窄，如何在这种情况下实现高速率的信息传输成为能量与信息协同传输的难点。

现有的支持能量传输的无线通信装置和方法均采用传统的通信链路配置，利用时分控制模块使得系统在能量传输和信息传输之间进行切换，并未实现信息与能量的同时传输，或者利用微波能量接收时的功率分配分别接收信息和能量，未解决能量传输效率与信息传输带宽之间的矛盾问题。

根据麦克斯韦的经典电磁理论，电磁辐射同时载有能量和动量，而动量又包括线动量和角动量。当波束含有与角向相关的位相分布时，会具有与角向位相分布有关的角动量，称之为轨道角动量(OAM，Orbital Angular Momentum)。普通电磁波的轨道角动量模式l为0，其波前为均匀平面波。如果电磁波的轨道角动量模式l不为0，则电磁波的波前为螺旋状等相位面波，具有螺旋状等相位面波的电磁波为涡旋电磁波。涡旋电磁波的OAM复用是一种把量子力学中的轨道角动量理论应用到无线通信领域的新型技术，同一频率的涡旋电磁波拥有无穷多种模式，使得涡旋电磁波在通信中具有频谱利用率高、抗干扰的特点。同时由于涡旋电磁波OAM复用具有频谱效率高的特点，因此特别适合与微波能量传输技术相结合，用于微波能量与信息协同传输中，因此需要提出一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统，包括涡旋电磁波OAM模式形成网络模块、功率放大器阵列模块、环形天线阵列模块、环形接收阵列模块、涡旋电磁波OAM模式分解网络模块、整流电路阵列模块，其中

涡旋电磁波OAM模式形成网络模块，接收外部发送的n路输入数据信号后进行移相处理，使得移相处理后的第i+1路输入数据信号与第i路输入数据信号的相位差为2πL/n，将移相处理的输入数据信号送至给功率放大器阵列模块，其中，-n/2≤L≤n/2，L为整数，n为正整数，i＝1，2，3…n；

功率放大器阵列模块，接收n路输入数据信号后进行功率放大处理，得到n路大功率的输入数据信号后送至给环形天线阵列模块；

环形天线阵列模块，接收n路大功率的输入数据信号后，将n路大功率的输入数据信号形成n个模式正交的涡旋电磁波，并发射至数据接收端，其中，模式i的涡旋电磁波与模式i-1的涡旋电磁波、模式i+1的路涡旋电磁波正交；

环形接收阵列模块，接收n个模式正交的涡旋电磁波波束后进行解调，将得到的角度间隔2π/n的n路输入数据信号送至涡旋电磁波OAM模式分解网络模块，将得到的能量电流送至整流电路阵列模块；

涡旋电磁波OAM模式分解网络模块，接收角度间隔2π/n的n路输入数据信号后进行移相处理，使得移相处理后的第i+1路输入数据信号与第i路输入数据信号的相位差为2πL/n，得到n路输入数据信号并送至外部；

整流电路阵列模块，接收能量电流后进行微波能量整流，得到直流能量电流并输出至外部。

所述的环形天线阵列模块包括n个天线单元，n个天线单元为圆环状均匀排列，模式i的涡旋电磁波为第i个天线单元产生，第i个天线单元与第i-1个天线单元的馈电相位差为2πL/n。

所述的环形接收阵列模块包括n个天线单元。

所述的环形接收阵列模块中每个天线单元的谐振结构小于本发明方法中涡旋电磁波的波长。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明协同传输系统与现有技术相比，通过在数据接收端、数据发送端合理配置环形天线阵列、OAM模式形成/分解网络，可以灵活多变的形成多种模式正交的涡旋电磁波波束用于微波能量和信息的协同传输，具有较好的能量及数据传输效果；

(2)本发明协同传输系统与现有技术相比，通过利用基于人工微波表面的环形接收阵列提高接收阵列的口面利用率，提高波束截获效率，减小了波束非垂直入射时的反射率；

(3)本发明协同传输系统与现有技术相比，利用涡旋电磁波OAM复用频谱效率高的特点与微波能量传输系统相结合，解决能量传输高效工作带宽窄与高速率信息传输所需频带宽的矛盾问题。

附图说明

图1为本发明一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统原理结构示意图；

图2为本发明系统中涡旋电磁发射环形阵列示意图；

图3为本发明一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统原理流程图果。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统，首先通过采用环形天线阵列、模式形成网络产生涡旋电磁波，即利用模式形成网络的不同输入端口在环形天线阵列上形成不同相位分布来产生多路模式正交的涡旋电磁波用于传输信息和能量，然后由于涡旋电磁波波束发散的特点，本发明系统在接收端同样需要采用环形天线阵列进行信息和能量的接收，另外由于本发明中波束入射方向不再与接收阵列垂直，因此为了降低反射本发明采用基于人工微波表面的接收技术来提高接收效率。下面结合附图对本发明方法及系统进行详细说明。

如图1所示为本发明一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统原理结构图，包括涡旋电磁波OAM模式形成网络模块1、功率放大器阵列模块2、环形天线阵列模块3、环形接收阵列模块4、涡旋电磁波OAM模式分解网络模块5、整流电路阵列模块6，其中

涡旋电磁波OAM模式形成网络模块1，接收n路输入数据信号后进行移相处理，产生n路相位差为2πL/n(-n/2≤L≤n/2，L为整数)的输入数据信号送至给功率放大器阵列模块2，比如，第2路信号与第1路信号移相后的相位差为2πL/n，第3路信号与第2路信号移相后的相位差为2πL/n。

功率放大器阵列模块2，接收来自涡旋电磁波OAM模式形成网络模块1发送的n路输入数据信号，进行功率放大处理，产生n路大功率的输入数据信号后送至给环形天线阵列模块3。

环形天线阵列模块3，接收来自功率放大器阵列模块2的n路大功率的输入数据信号，将n路大功率的输入数据信号辐射出去在空间中合成得到n个模式正交的涡旋电磁波波束，将模式正交的涡旋电磁波波束发射至环形接收阵列模块4。

环形接收阵列模块4，接收环形天线阵列模块3发送的n个模式正交的涡旋电磁波波束后进行解调，将得到的角度间隔2π/n的n路输入数据信号送至涡旋电磁波OAM模式分解网络模块1，将得到的能量电流送至整流电路阵列模块6。

涡旋电磁波OAM模式分解网络模块5，接收角度间隔2π/n的n路输入数据信号后进行分解和移相处理，使得移相处理后的第i+1路输入数据信号与第i路输入数据信号的相位差为2πL/n，移相后的信号在输出端口合成，得出n路模式正交的输入数据信号并送至外部。

整流电路阵列模块6，接收来自环形接收阵列模块4的能量电流后进行微波能量整流，将微波能量转换为直流能量合成输出至外部。

如图2所示为本发明系统中环形天线阵列模块3的环形天线阵列示意图，环形天线阵列模块3包括n个天线单元，n个天线单元为圆环状均匀排列，模式i的涡旋电磁波为第i个天线单元产生，第i个天线单元与第i-1个天线单元的馈电相位差为2πL/n。

如图3所示为本发明一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输方法原理流程图，具体包括如下步骤：

(1)发射端在涡旋电磁波OAM模式形成网络模块1中输入n路输入数据信号，经移相处理后n路输入数据信号相位差为2πL/n(-n/2≤L≤n/2，L为整数，n均为正整数)。

(2)经过涡旋电磁波OAM模式形成网络模块后的n路信号再经功率放大器阵列模块2馈至环形天线阵列模块3中的环形天线阵列，环形天线阵列的天线单元数为n，均匀分布在半径小于波长的圆环上，每个天线单元的角度间隔2π/n，通过步骤(1)形成的馈电相位差得到多种模式正交的涡旋电磁波并发射至接收端。

(3)接收端的环形接收阵列模块4为基于人工微波表面的环形接收阵列，环形接收阵列模块4包括n个接收天线单元，其中，每个接收天线单元的谐振结构小于本发明方法中涡旋电磁波的波长，进而形成低反射的微波能量接收表面，在接收阵列中选取角度间隔为2π/n的单元连接涡旋电磁波OAM模式分解网络模块5，经过不同的移相处理分解为多路正交的信号分别进行解调获取传输信息。

(4)接收阵列的其他部分均作为微波能量接收部分，连接整流电路将微波能量转换为直流能量合成输出。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统，其特征在于包括涡旋电磁波OAM模式形成网络模块(1)、功率放大器阵列模块(2)、环形天线阵列模块(3)、环形接收阵列模块(4)、涡旋电磁波OAM模式分解网络模块(5)、整流电路阵列模块(6)，其中

涡旋电磁波OAM模式形成网络模块(1)，接收外部发送的n路输入数据信号后进行移相处理，使得移相处理后的第i+1路输入数据信号与第i路输入数据信号的相位差为2πL/n，将移相处理的输入数据信号送至给功率放大器阵列模块(2)，其中，-n/2≤L≤n/2，L为整数，n为正整数，i＝1，2，3…n；

功率放大器阵列模块(2)，接收n路输入数据信号后进行功率放大处理，得到n路大功率的输入数据信号后送至给环形天线阵列模块(3)；

环形天线阵列模块(3)，接收n路大功率的输入数据信号后，将n路大功率的输入数据信号形成n个模式正交的涡旋电磁波，并发射至数据接收端，其中，模式i的涡旋电磁波与模式i-1的涡旋电磁波、模式i+1的路涡旋电磁波正交；

环形接收阵列模块(4)，接收n个模式正交的涡旋电磁波波束后进行解调，将得到的角度间隔2π/n的n路输入数据信号送至涡旋电磁波OAM模式分解网络模块(1)，将得到的能量电流送至整流电路阵列模块(6)；

涡旋电磁波OAM模式分解网络模块(5)，接收角度间隔2π/n的n路输入数据信号后进行移相处理，使得移相处理后的第i+1路输入数据信号与第i路输入数据信号的相位差为2πL/n，得到n路输入数据信号并送至外部；

整流电路阵列模块(6)，接收能量电流后进行微波能量整流，得到直流能量电流并输出至外部。

2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统，其特征在于：所述的环形天线阵列模块(3)包括n个天线单元，n个天线单元为圆环状均匀排列，模式i的涡旋电磁波为第i个天线单元产生，第i个天线单元与第i-1个天线单元的馈电相位差为2πL/n。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统，其特征在于：所述的环形接收阵列模块(4)包括n个天线单元。

4.根据权利要求3所述的一种基于涡旋电磁波的能量与信息协同传输系统，其特征在于：所述的环形接收阵列模块(4)中每个天线单元的谐振结构小于本发明方法中涡旋电磁波的波长。