CN106685629B - 基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，包括：电磁波发射端，用于发射不同的OAM电磁波信号；天线阵，用于接收电磁波信号；预滤波器，用于对接收信号进行滤波，以从接收信号中分离出不同频率的电磁波信号；内插算法模块，用于内插出根据预设转速移动的虚拟天线，以将分离出的同一频率的不同OAM电磁波通过内插处理变换到频域的不同频率信号；滤波器，用于分离出内插处理后不同频率的电磁波信号。该系统只需接收部分OAM电磁波信号即可完成OAM信号接收与分离，并且不同频点的信号在频域变换的过程中不存在相互干扰，可提高OAM传输频谱效率，增加OAM传输距离，简单便捷。
Description
技术领域
本发明涉及无线传输技术领域，特别涉及一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统。
背景技术
OAM(Orbital Angular Momentum，电磁波轨道角动量)是区别于电磁波电场强度的另一个重要物理量。具有OAM的电磁波又称“涡旋电磁波”，其相位面沿着传播方向呈现螺旋状，已经不是平面电磁波。
OAM电磁波最先研究主要集中在光学领域，随着光学OAM研究不断成熟之后才逐步过渡到无线电波频段。电磁波的OAM提供了除频率、相位、空间之外的另一个维度，给人们提供了一个新的视角去认识和利用电磁波。最初设想将OAM用在通信中可以获得很多优点，如：整数倍OAM模式数的电磁波之间相互正交，在同一个频点可以传输多路正交信号，从而提高频谱效率，增加信道容量。然而，对于OAM电磁波的研究还停留在实验室阶段，主要集中在光纤传输、量子操作、短距离通信等方面。关于OAM电磁波的“长距离”传输方式至今还未得到解决。极大地限制了涡旋电磁波的应用的可能性。
分析现有电磁波OAM传输方式可发现：随着OAM数的增加，OAM电磁波发散角增大，从发射天线发出的电磁波波束成锥状。传输距离越长，波束越发散。如果按光纤中采用的共轴接收整个相位面的方法，则需要与传播方向共轴的巨大环状分布天线。比如OAM模式数为1，波束角0.5度，传输10km则需要直径100m的天线；传输100km则需要直径1km天线；传输1000km则需要直径10km天线，这在工程上难以实现。反观光纤传输，由于光纤的全反射，光波发散后经全反射又汇聚，传输中不断重复发散和汇聚，因此可以长距离传输，并不存在自由空间波束发散的难点；OAM电磁波沿着传播方向正好是能量奇异点(陷波点)，主要能量集中在发散角的方向，即从横截面上看是一个中空的环状结构。为了获得最强接收功率，需要在发散角方向接收，而不是共轴方向，这对传输方式和接收系统设计造成困难。鉴于以上难点，超过1km的OAM电磁波传输鲜有报道。
相关技术中，旋转OAM(Rotational OAM，简称ROAM)，用机械结构或电扫方法将OAM电磁波旋转起来，以便将空域接收变换为时域接收，在发散角方向空间中的一个点位置用普通天线即可接收全部OAM信号，不同OAM呈现类似正交频分复用(OFDM)的接收信号。对于某一频率的OAM电磁波发射信号，当采用机械或电扫方式将其相位面旋转起来后，在接收进行时域单点接收会产生一定的频偏，该频偏大小与OAM模式数及旋转速度呈正比例关系。ROAM电磁波之所以能够产生频移，是因为OAM电磁波存在方位向的旋转动态频移效应(也可以看成一种角多普勒效应)，即：发端OAM电磁波相对接收端固定点产生了方位向的相对旋转。既然OAM电磁波与接收天线在方位向相对旋转之后可以产生频移，那让发射端OAM电磁波固定，而接收端天线旋转，则应该出现相同的效果。然而，由于OAM电磁波波束呈现环状分布，且能量环的半径随传输距离增大，接收端不可能让单个天线在该能量环上旋转，为此必须寻找一种信号处理方法，使处理后的信号等效为一根在能量环上旋转的天线接收的信号。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，该系统可以完成OAM信号接收与分离，并且实现长距离、大容量、高频谱效率的电磁波轨道角动量传输。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，包括：OAM电磁波发射端，用于发射具有不同OAM的电磁波信号；天线阵，所述天线阵具有多根接收天线，用于接收所述电磁波信号；预滤波器，用于在频域中进行预滤波，以从所述电磁波信号中分离出不同频率的电磁波；内插算法模块，用于内插出根据预设转速移动的虚拟天线，以将预滤波器分离出的同一频率的不同OAM的电磁波通过内插处理变换到频域不同的频点；滤波器，用于分离出经过内插处理后得到的不同频率的电磁波信号。
本发明实施例的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，在接收端通过预滤波器和天线阵内插信号处理的方法将不同OAM电磁波信号变换到频域进行区分，不但完成了同频率不同OAM电磁波信号接收与分离，并且不同频点的信号在频域变换的过程中不存在相互干扰，提高了OAM电磁波传输频谱效率，简单便捷，能够实现长距离、大容量、高频谱效率的电磁波轨道角动量传输。
另外，根据本发明上述实施例的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述虚拟天线是对所述天线阵接收信号进行内插处理后等效出来的，其位置在所述天线阵中随时间移动，以使接收到的所述电磁波信号产生旋转动态频移，且大小随着OAM模式数和虚拟天线旋转速度呈正比。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述发射端可以同时发射多路OAM电磁波信号，接收端基于天线阵接收的信号可以内插出多个虚拟天线，虚拟天线转速可以根据所需传输速率设定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述OAM电磁波发射端通过螺旋相位板、螺旋反射面或环形相控阵产生螺旋相位面，以得到所述具有轨道角动量的电磁波信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述内插算法模块根据OAM电磁波的旋转动态频移效应将所述不同轨道角动量电磁波变换到频域中的不同频点。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预滤波器对所述天线阵接收信号进行滤波，分离出不同频点的信号，针对某一频点的具有不同OAM模式数的信号再送入后续内插模块。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述天线阵的阵型为线型、弧形、矩形、圆形和方形中任意一种。
可选地，在本发明的一个实施例中，接收天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线和阵列天线中的任意一种。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述滤波器为时域或者频域滤波器、数字滤波器或模拟滤波器。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述电磁波包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的天线阵内插接收频域分离方法的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的圆弧型天线阵内插算法模块的示意图；
图4为根据本发明一个实施例的圆弧型天线阵内插出的天线位置的示意图；以及
图5为根据本发明一个实施例的频偏与OAM模式数和内插天线旋转速率的关系示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统。
图1是本发明实施例的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统的结构示意图。
如图1所示，该基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统包括：OAM电磁波发射端101、天线阵102、预滤波器103、内插算法模块104和滤波器105。
其中，OAM电磁波发射端101用于发射具有不同OAM的电磁波信号。天线阵102具有多根接收天线，天线阵102用于接收电磁波信号。预滤波器103用于在频域中进行预滤波，以从电磁波中分离出不同频率的电磁波信号。内插算法模块104用于对预滤波器103分离出的同一频率的不同OAM的信号进行内插信号处理，得到根据预设转速移动的虚拟天线，以将分离出的同一频率的不同OAM电磁波信号通过内插处理变换到频域不同频点。滤波器105用于分离出经过内插处理后的不同频率的电磁波，以提取相应频点的电磁波。
可以理解的是，OAM电磁波发射端101发射具有OAM的电磁波；天线阵102用于接收电磁波信号；预滤波器103分离出不同频率的OAM电磁波信号；内插算法模块104内插出虚拟天线根据设定的转速而移动，将接收的不同OAM电磁波通过内插处理变换到频域不同频点；滤波器105用于分离出内插处理后的不同频率的信号。
需要说明的是，OAM电磁波发射端101可以同时发射多路OAM信号，接收端基于天线阵102接收的信号可以内插出多个虚拟天线进行接收，在此不作具体限制。
进一步地，在本发明的一个实施例中，虚拟天线在天线阵102中随时间移动，以使接收到的电磁波信号产生旋转动态频移，且大小随着轨道角动量模式数和虚拟天线选择速度呈正比。
也就是说，内插算法模块104可以将同一频点的不同轨道角动量电磁波变换到频域中的不同频点，利用的是OAM电磁波的旋转动态频移效应，即：将OAM电磁波的辐射场旋转起来后，对于空间某一固定点接收的信号将产生频移，频移大小与旋转速度及OAM模式数呈正比。
需要说明的是，内插算法模块104可以是其他任何能够等效出虚拟天线的信号处理算法，在此不作具体限制。
进一步地，内插算法得到的虚拟天线的转速可以根据所需的传输速率进行设定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，OAM电磁波发射端101可以通过螺旋相位板、螺旋反射面或环形相控阵产生螺旋相位面，以得到具有轨道角动量的电磁波信号。
可选地，在本发明的一个实施例中，天线阵102的阵型为线型、弧形、矩形、圆形和方形中任意一种。即言，天线阵102的阵型可以是线型、弧形、矩形、圆形、方形等任意一种阵型。
可选地，在本发明的一个实施例中，接收天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线和阵列天线中的任意一种。即言，接收天线可以是喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线等任意一种天线。
可选地，在本发明的一个实施例中，滤波器105为时域或者频域滤波器、数字滤波器或模拟滤波器。
可选地，在本发明的一个实施例中，电磁波可以包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。
举例而言，经过发端中心频率预滤波器103后的接收信号在接收端通过内插算法模块104在天线阵102中内插出虚拟天线，其位置在天线阵102中随时间移动，内插出的信号将产生旋转动态频移，且大小随OAM模式数和虚拟天线旋转速度呈正比，从而在接收端可将同一频率的不同OAM电磁波变换到频域中不同频点进行区分，实现电磁波轨道角动量长距离、大容量、高频谱效率传输。具体地，发射端101发射具有不同OAM的电磁波，接收端采用天线阵102接收信号，首先在预滤波器103中进行预滤波，将不同频率提取出来，然后对同一频率的不同OAM电磁波信号经内插信号处理变换到频域中的不同频点，采用滤波器105提取出内插处理后相应频点的信号，从而完成OAM信号接收与分离。由于有了预滤波器103提供的预滤波过程，不同频点的信号在后续的频域变换的过程中不存在相互干扰，且同一频率的不同OAM电磁波信号可以通过内插算法变换到频域不同频点进行区分，从而提高了OAM传输频谱效率。
下面对本发明实施例的工作原理进行详细描述。
在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，OAM电磁波发射端101发射相应频率的OAM电磁波信号，天线阵102可接收不同频率的OAM电磁波，预滤波器103在内插信号处理之前，首先在频域上分离出不同频率的OAM电磁波信号，针对同一个频率的不同OAM电磁波信号再进行后续的内插信号处理，进一步在频域上将同一频率的不同OAM电磁波变换到不同的频点进区分。
进一步地，内插算法模块104将天线阵102接收并经过预滤波器103分离出的信号进行内插信号处理，等效于在天线阵子间内插出虚拟天线来接收信号，且虚拟天线在天线阵中的位置随时间移动，其移动速度根据传输速率设定。如此，由于OAM电磁波的旋转动态频移效应，接收端内插出的虚拟天线相对发射端的OAM电磁波产生旋转移动，进而产生了频偏。如此即可将天线阵接收的不同的OAM电磁波通过内插处理变换到频域进行分离。
其中，电磁波可以包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种，进而本发明实施例的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统可广泛应用于光波、微波、毫米波和太赫兹等波段的无线传输系统中，通过内插算法模块104等效出位置在天线阵102中随时间而旋转移动的虚拟天线来接收信号，从而在频域分离出不同OAM的电磁波信号(平面波可以认为是模式数为0的OAM电磁波)，在同一个频率实现多个OAM电磁波信号的正交接收，从而提高了频谱效率，具有传输容量大，灵活方便等特点。
进一步地，接收天线阵102子个数为K(K≥2)。接收的信号可以是一个天线系统发射的单路信号，也可以是多个天线系统发射的多路信号。若发射端101发射的是同一频率的不同轨道角动量电磁波信号，则接收端天线阵102内插出的信号将是一组以发射频率为基准的具有不同频移的电磁波信号，且可通过滤波器105提取出来。具体地，天线阵102接收不同的发射OAM电磁波信号，由预滤波器103滤出所需频点信号，采用内插算法模块104对天线阵接收信号进行内插处理，所得到的信号等效于是由天线阵之间旋转移动的虚拟天线所接收的信号，利用OAM电磁波的旋转动态频移特性进而可将不同OAM电磁波变换到不同的频率进行分离。
进一步地，OAM电磁波的产生方式可以是螺旋相位板、螺旋反射面或环形相控阵等能产生螺旋相位面的任何方式。
进一步地，天线阵102的阵型可以是线型、弧形、矩形、圆形、方形等任意一种阵型。
进一步地，接收天线可以是喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线等任意一种天线。
进一步地，预滤波器103在内插算法之前将不同频率的OAM电磁波在频域进行分离，之后再针对所滤出的某一频率的不同OAM电磁波信号进行内插处理，将同一频率的不同OAM电磁波信号变换到频域进行区分。
进一步地，天线阵内插算法模块104可以将不同轨道角动量电磁波变换到频域中不同频点，利用的是OAM电磁波的旋转动态频移效应，即：将OAM电磁波的场在方位向旋转后，对于空间某一固定点接收的信号将产生频移。
进一步地，滤波器105可以是时域或者频域滤波器，可以是数字或模拟滤波器。
进一步地，OAM电磁波发射端101发射同一频率的不同OAM电磁波信号，天线阵102接收电磁波信号，由预滤波器103提取出所需频率分量之后，内插算法模块104将天线阵接收的信号进行内插合并处理，将不同的OAM电磁波变换到不同频率，进而采用滤波器105提取出不同频率的信号。
在本发明的实施例中，利用OAM电磁波的旋转动态频移效应，在接收端通过在天线阵102中内插出位置随时间旋转移动的虚拟天线来接收信号，接收虚拟天线相对发射的OAM电磁波具有方位向的旋转移动，进而使虚拟天线接收的信号产生了相应的频移，频移的大小跟OAM模式数和虚拟天线旋转移动的速率成正比。其利用OAM的方法是通过旋转电磁波的OAM，将不同的OAM转换为不同的接收频率。由于传输的是同一频率的不同OAM电磁波信号，因而频谱效率可随传输的OAM模式数而正比例增加。
可以理解的是，如图2所示，该系统主要由OAM电磁波发射端101、天线阵102、预滤波器103、内插算法模块104和滤波器105等五个部分组成。在本发明实施例中，OAM电磁波发射端101发射OAM电磁波信号，天线阵102接收发射信号，经过预滤波器103分离出不同频率信号之后，由内插算法模块104处理合并同一频率的不同OAM电磁波信号，将其变换到频域的不同频率，之后采用滤波器105分离出不同的频率分量，进而完成不同OAM电磁波信号的接收与分离。系统的各个部分说明如下：
1.OAM电磁波发射端101：
(1)发射信号：基带信号可以是任何模拟或数字信号，调制方式可以是任何模拟或数字调制。
(2)发射波束：发射波束可以是常规电磁波波束，也可以是任何模式数的OAM波束。
(3)产生方式：产生OAM电磁波方式可以是螺旋相位板、螺旋反射面或环形相控阵等各种能产生螺旋相位面的产生方式。
2.天线阵102和预滤波器103：
(1)天线阵型102：天线阵型采用圆弧形，其接收结构如图3中右侧所示。接收圆弧阵列位于发端旋转OAM波束能量最强的环形波束上，其阵子等间隔分布。
(2)预滤波器103：接收天线阵102会接收不同频率的OAM电磁波信号，在内插信号处理之前，首先采用预滤波器103将不同频率的OAM电磁波在频域进行分离，之后再针对所滤出的某一频率的不同OAM电磁波信号进行内插处理，将同一频率的不同OAM电磁波信号变换到频域进行区分。
3.内插算法模块104和滤波器105：
(1)内插算法模块104：对各天线接收下来的信号进行内插信号处理，其等效于在天线之间内插出一根虚拟天线接收信号，该虚拟天线的在天线阵中的位置随时间而旋转移动，其旋转速率根据所需传输速率设定，从而将接收到的同一频率的不同OAM电磁波变换到频域不同频率进行区分。
(2)滤波器105：提取出信号的不同频率分量，可以是模拟滤波器也可以是数字滤波器。同一频率的不同OAM电磁波经过内插信号处理后将变换到频域不同频点的信号，采用相应中心频率和所需带宽的滤波器可滤出所需的不同频率分量，于此同时滤出内插信号处理中可能产生的杂频分量。
在本发明的实施例中，利用OAM电磁波的旋转动态频移效应，通过天线阵102内插出虚拟天线相对发射端101的OAM电磁波旋转，将接收到的同一频率的不同的OAM电磁波变换到不同频率进行区分，从而提高了频谱效率，降低了接收难度，使基于OAM电磁波的大容量长距离传输成为可能。
举例而言，如图3所示，发射天线采用阵子个数N无穷大的环形天线阵等效，天线口径为D，接收端采用圆弧型阵列接收，天线角度间隔为φi，θ为接收天线所在方位角，收发天线距离为L，则对于第m个和第k个天线，其信道相关系数为：
其中，k＝2π/Λ0，Λ0为OAM电磁波的切向等效波长，D为发射天线的口面直径，θ为接收天线所在俯仰角，φi为接收端弧形天线阵的角度间隔，J0(x)表示参数为x的零阶贝塞尔函数。
则K个接收天线在t时刻接收的信号为：
r(t)＝[r1(t),r2(t),...,rK(t)]T，(2)
接收信号的自相关矩阵为：
其中，[x]M×N表示x为一个M行N列的矩阵，rH(t)代表r(t)的厄米特转置矩阵，Λ0为OAM电磁波的切向等效波长。
若在K个接收天线中内插出1个虚拟天线，则虚拟天线和真实物理天线间的互相关系数为：
其中，ω为发射端旋转OAM电磁波的旋转速度。
设加权系数为wT(t)，则MMSE内插器输出为：
rVRA(φ,t)＝wT(φ)r(t)＝PT(φ)R-Tr(t)，(5)
其中，rVRA(φ,t)表示内插出的虚拟天线信号，是旋转角度φ和时间t的函数。
特别地，对于只有两个接收天线的情况，接收信号自相关矩阵以及接收信号和虚拟天线接收信号的互相关矩阵为：
其中，ωt的范围是：ωt∈[0,φK]。如此，即在圆弧接收阵列中内插出了一根虚拟天线，该虚拟天线随发端天线的旋转而同步移动，其在接收圆弧上的移动角度随时间的变化曲线如图4所示。
对OAM电磁波信号进行内插处理后的信号频移与内插出的虚拟天线旋转移动速度以及接收信号的OAM模式数呈正比例关系。如图5所示，对于常规电磁波信号(OAM模式数为0)，内插算法模块104不产生频移，对于OAM信号所内插产生的频移跟OAM模式数和旋转移动速度成正比。若用l表示模式数，n表示旋转速度，则频偏Δf可以用下式表示：
Δf＝l·n， (8)
具体地，如图2所示，为基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统原理图(以两阵子的圆弧形天线阵为例)。OAM电磁波发射端101发射OAM模式数分别为0和1的OAM电磁波，采用两阵子的弧形天线阵102接收空间电磁波信号，由预滤波器103滤出所需频点的OAM信号之后进行内插信号处理，计算表达式(2)、(3)和(4)，采用公式(5)计算内插天线接收信号，之后将接收信号送入滤波器105提取各个频率分量的信号。如此，即完成了对不同OAM电磁波信号的接收与分离。
在图2中，若发射端101同时发射频率分别为频率为f0的模式数为1的OAM电磁波和频率为f0+Δf的平面波，则接收端天线阵102将接收到两种频率的OAM电磁波。如果不采用预滤波器103而直接进行内插处理，且内插出的虚拟天线旋转频移为Δf，则原本频率为f0的模式数为1的OAM电磁波经过内插处理后频率将变换到f0+Δf。于此同时，由于内插处理不改变频率为f0+Δf的平面波的频率，在频率f0+Δf出将存在两种信号，且无法区分。针对该问题，本发明实施例的关键点之一就是在天线阵102之后内插算法模块104之前增加预滤波器103，即：首先在频域将两种频率的电磁波提取出来，之后再针对每一个频率分量信号单独进行内插处理，进而区分该频点上的不同OAM模式数的电磁波信号。
根据本发明实施例提出的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，利用天线阵接收不同轨道角动量的电磁波信号，采用内插算法模块处理天线阵接收的信号，将其变换到频域，之后经滤波器提取出不同的频率分量，完成两种信号的分离，从而提高了频谱效率，降低了接收难度，可以实现电磁波在自由空间中的大容量、长距离传输。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，包括：
OAM电磁波发射端，用于发射不同的轨道角动量的电磁波信号；
天线阵，所述天线阵具有多根接收天线，用于接收所述电磁波信号；
预滤波器，用于对天线阵接收信号进行预滤波，以从所述电磁波信号中分离出不同频率的电磁波；
内插算法模块，用于对预滤波后所需频率的信号进行内插出根据预设转速移动的虚拟天线，以将分离出该频率不同OAM模式数的电磁波通过内插处理变换到不同的频域；以及
滤波器，用于分离出不同频率的电磁波，以提取相应频点的电磁波，从而接收所述不同的OAM电磁波信号且进行区分；
其中，所述虚拟旋转天线为在接收端的所述天线阵中通过信号处理的方法虚拟出一个在接收端天线阵列基线上移动的天线，内插算法为通过信号处理的方法对所述天线阵中的任一位置进行信号估计的算法。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述虚拟天线是对所述天线阵接收信号进行内插处理后等效出来的，其位置在所述天线阵中随时间移动，以使接收到的所述电磁波信号产生旋转动态频移，且大小随着OAM模式数和虚拟天线旋转速度呈正比。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述发射端可以同时发射多路OAM电磁波信号，接收端基于天线阵接收的信号可以内插出多个虚拟天线，虚拟天线转速可以根据所需传输速率设定。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述内插算法模块根据OAM电磁波的旋转动态频移效应将所述不同OAM电磁波变换到频域中的不同频点，所采用内插算法可以是其他任何能够等效出虚拟天线的信号处理算法。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述预滤波器对所述天线阵接收信号进行滤波，分离出不同频点的信号，针对某一频点的不同OAM信号再送入后续内插模块进行处理。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述OAM电磁波发射端通过螺旋相位板、螺旋反射面或环形相控阵产生螺旋相位面，以得到所述具有轨道角动量的电磁波信号。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述天线阵的阵型为线型、弧形、矩形、圆形和方形中任意一种。
8.根据权利要求7所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，接收天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线和阵列天线中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述滤波器为时域或者频域滤波器、数字滤波器或模拟滤波器。
10.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述电磁波包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。
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