CN109450497A - 一种基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统 - Google Patents

一种基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统 Download PDF

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Abstract

目前抗干扰措施在面对信号捕获速度达到微秒级、干扰等效辐射功率达到兆瓦级，可以实施精确压制的新一代干扰平台时，都将难以取得令人满意的成效。本发明提出一种基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，将目前通信对抗中的干扰信号为普通平面电磁波，其OAM模式都属于0模式，采用涡旋电磁技通信技术，产生OAM不为0的电磁信号进行信息传输，基于其不同模态间的正交性，利用“态分复用”技术，从一个新的干扰抑制维度来提高通信可靠性。该成果开创了一个新的信息干扰抑制维度，可独立使用或与其他现有干扰抑制技术结合，应用于各种复杂电磁环境下军用、民用飞行器无线通信，提高通信可靠性。

Description

一种基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统
技术领域
本发明涉及一种基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，属于新型无线通信系统。
背景技术
未来的战争不再是单枚武器的较量，而是系统与系统、体系与体系之间的对抗。作战模式已由传统的平台独立作战模式向分布式集群协同作战模式转变。集群利用分布式通信系统进行实时数据交互，实现战术信息协同、干扰协同、飞行航迹协同、火力分配和攻击协同完成作战任务。集群攻击敌方重要目标的过程中也将面临极大的对抗能力挑战，敌方对飞行编队的干扰压制、通信诱骗手段日趋丰富，复杂电磁环境下集群内部频谱资源的受限和节点间串扰，都为集群节点间可靠通信带来严峻挑战。
现有集群通信方式以信号的幅度、相位、频率等形式利用电磁波辐射的线性动量进行信息传输，并且在同一时间、同一码域里一个频带只能传输一路信息，随着集群节点增加其容量已经接近物理极限，故需要探索新的技术来满足未来大容量、多节点的数据传输需求。
目前国内外主流的集群抗干扰措施大体上分为两大类，一类是从空域、时域和频域等不同角度采取措施，尽量对干扰进行抑制或削弱，使之无法有效进入接收机；另一类是在在接收机内，利用干扰与信号在时域波形、变换域频谱特性等方面的差异进行区分，从而进一步抑制干扰。但以上抗干扰措施在面对信号捕获速度达到微秒级、干扰等效辐射功率达到兆瓦级，可以实施精确压制的新一代干扰平台时，都将难以取得令人满意的成效。
如何提供一种全新的干扰抑制方法，提高通讯质量是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种新型抗干扰通信系统，采用涡旋电磁技通信技术，产生OAM不为0的电磁信号进行信息传输，基于其不同模态间的正交性，利用“态分复用”技术，从一个新的干扰抑制维度来提高通信可靠性。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案包括：
一种基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，包括发送端和接收端；
发送端包括发送8元阵列天线、发送移相器和发送数据链终端；发送数据链终端发出信号至发送移相器，发送移相器进行幅度和相位的调理，并发送给8元阵列天线，使得信号到达8元阵列天线发送入口处的相位特性满足要求；发送8元阵列天线将信号生成±1、±2四种模态的涡旋电磁波并向外发送，涡旋电磁波作为信号传输载体；
接收端包括接收8元阵列天线、接收移相器和接收数据链终端；接收8元阵列天线接收±1、±2四种模态的涡旋电磁波并发送给接收移相器，接收移相器识别出对应模态信号并发送给接收数据链终端。
优选的，发送端和接收段的8元阵列天线发送入口处的相位特性要求为其中N为天线元个数，为8，为相邻两个天线阵面的相位差，l为模态值。
优选的，每一个天线阵面的形式为同轴线背馈式微带天线。
优选的，8元阵列天线阵面布局方法为：8天线阵面均匀分布在圆周上，天线阵面朝向辐射方向。
优选的，接收移相器和发送移相器采用巴特勒矩阵实现。
优选的，发送巴特勒矩阵由12个混合耦合器，4个交叉耦合器，2个67.5°，2个22.5°，6个0°，2个45°，2个90°，2个-45°移相器组成，排布成特定形式。
优选的，4个发送数据链终端输出信号幅度误差不大于0.5dB，相位误差不大于5°。
优选的，信号发送方法为：第一发送数据链终端产生第一用户的信号，接入巴特勒矩阵的第一个输入端口，巴特勒矩阵输出端各端口信号相位差为-45°，产生模态为-1的涡旋波；第二发送数据链终端产生第二用户的信号，接到巴特勒矩阵的第四个输入端口，巴特勒矩阵输出端各端口信号相位差为+45°，产生模态为+1的涡旋波；第三发送数据链终端产生第三用户的信号，接到巴特勒矩阵的第五个输入端口，巴特勒矩阵输出端各端口信号相位差为-90°，产生模态为-2的涡旋波；第四发送数据链终端产生第四用户的信号，接到巴特勒矩阵的第六个输入端口，巴特勒矩阵输出端各端口信号相位差为+90°，产生模态为+2的涡旋波。
优选的，接收巴特勒矩阵由12个混合耦合器，4个交叉耦合器，2个67.5°，2个22.5°，6个0°，2个45°，2个90°，2个-45°移相器组成，排布成特定形式。
优选的，信号接收方法为：8元接收阵列天线接收到涡旋电磁信号后，送入巴特勒矩阵，巴特勒矩阵的第一个出口可识别出模态+1的涡旋电磁信号，将信号送至第一接收据链终端，作为第一用户的信号；巴特勒矩阵的第四个出口可识别出模态-1的涡旋电磁信号，将信号送至第二接收据链终端，作为第二用户的信号；巴特勒矩阵的第五个出口可识别出模态+2的涡旋电磁信号，将信号送至第三接收据链终端，作为第三用户的信号；巴特勒矩阵的第六个出口可识别出模态-2的涡旋电磁信号，将信号送至第四接收据链终端，作为第四用户的信号。
优选的，利用涡旋电磁波不同模态的正交性，实现对普通平面电磁波的干扰抑制。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)目前通信对抗中的干扰信号为普通平面电磁波，其OAM模式都属于0模式，采用涡旋电磁技通信技术，产生OAM不为0的电磁信号进行信息传输，基于其不同模态间的正交性，利用“态分复用”技术，从一个新的干扰抑制维度来提高通信可靠性。本发明利用涡旋电磁波模态间正交性，实现对现有干扰信号的有效抑制，理论上干扰抑制效果无穷大。
(2)本发明利用阵列天线+巴特勒矩阵的设计方式，可以实现多模态涡旋电磁波的产生，成本显著降低。
(3)本发明为军用、民用各类飞行器抗干扰通信提供了一种新的方法和手段，应用于各种复杂电磁环境下军用、民用飞行器无线通信，提高通信可靠性，并且适用于其它通信设备。
附图说明
图1为八元收发阵列天线排布示意图。
图2为涡旋电磁波仿真示意图。
图3为巴特勒矩阵设计版图。
图4发送系统框图。
图5接收系统框图。
具体实施方式
给出了一种基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统设计：
(1)采用波前相位矢量为螺旋型状的涡旋电磁波作为信号传播载体，同现有波前相位矢量为平面的普通电磁波具有显著差异；
涡旋电磁通信原理
依据电动力学基本概念，电磁场不仅能携带能量，还能携带角动量。电磁场的角动量通常由两部分构成：一部分是与位矢r无关的自旋角动量部分；另一部分是与位矢r有关的轨道角动量部分。
J＝∫dVε0r×(E×B)＝L+S 式(1)
其中，
式(2)中，S表示自旋角动量，L表示轨道角动量。自旋角动量是量子力学概念的经典物理量，其与偏振态相关，是粒子的内在属性，其模数记为s。轨道角动量并非所有粒子都拥有，表现出粒子的外在属性，其模数记为l。则总角动量模数为
j＝s+l 式(3)
总角动量模数可通过式(4)进行计算
其中，角动量z分量可表示为
很长时间，人们对于动量的关注都集中在自旋角动量上，其宏观表现为2种相互正交的极化模态。一束波束的电场通常会沿着波束传输方向的垂直平面发生震荡，当电场矢量的运动轨迹是沿着某一方向来回震荡时，就是线极化态。当电场矢量的运动轨迹是沿着一个圆形做顺时针或者逆时针旋转时，即为圆极化态，其他运动轨迹可归结为椭圆极化态。值得注意的是，自旋角动量所表现出来的极化模态仅仅提供了自由度为2的复用增量，也就是说极化复用仅带来了比原来多1倍的通信容量增量，例如左旋圆极化与右旋圆极化的极化复用。
轨道角动量L和波阵面相关，携带轨道角动量的波束呈现出螺旋向前的波阵面，此时其坡印廷矢量不再与传输方向平行，而出现一个方向角。理论上这种轨道角动量存在无穷多个模态，利用不同模态值之间的正交性可用于无线电通信容量的提升。显示了不同模态值波束的幅度谱，当波束不携带OAM其l＝0，能量集中在波束中心，而当波束携带OAM时其l≠0，此时能量集中在圆环上。不同模态值将会产生不同的幅度和相位特性。因此，轨道角动量的这些特性对于提高通信频谱效率及抗干扰性能具有巨大的潜在价值。
(2)采用八元阵列天线作为涡旋电磁信号产生载体，可生成±1、±2四种模态的涡旋电磁波；基于阵列天线的涡旋电磁波产生方法：
利用天线阵列产生携带“OAM特征模态”的涡旋电磁波是一种高效可行的方案。天线阵通常可采用相控阵，利用相控阵对每个天线元的相位进行控制。首先，将天线等间隔的分布在圆周上，组成圆形阵列，再通过相位控制的方法，让每个天线元都携带不同的相位。假设共有N个天线元，每相邻2个天线元的相位差为：
则第n个阵元的相位可表示为
其中
设第n个阵元的电流分布表示为
jn(rn)＝jexp(iφn) 式(9)
则N个阵元的矢量势可表示为
其中
本发明采用8元天线，8天线阵面均匀分布在圆周上，天线阵面朝向辐射方向。天馈设计方法如图1所示。通过调整各馈电点间信号相位差，为±180°，±90，可产生模态为±1、模态为±2的四种涡旋电磁波。涡旋电磁波仿真结果如图2所示。
(3)采用8×8的巴特勒矩阵作为发射移相网络，使得阵列天线入口处信号相位特性满足涡旋电磁产生条件；基于巴特勒矩阵的移相网络设计方法：
Butler矩阵是一种性能优秀的无源多波束馈电网络，由90°混合耦合器，交叉耦合器及移相器组成，本发明选择单层微带线结构来实现Butler矩阵网络。本发明的8×8巴特勒矩阵由12个混合耦合器(图中三条线耦合器)，4个交叉耦合器(图中六条线耦合器)，2个67.5°，2个22.5°，6个0°，2个45°，2个90°，2个-45°移相器组成，排布成图3所示的特定形式。
结合图4，当信号连接至输入端口1时，输出端口9～16的相位差为-45°，可用于产生模态为-1的涡旋波；当信号连接至输入端口4时，输出端口9～16的相位差为+45°，可用于产生模态为+1的涡旋波；当信号连接至输入端口5时，输出端口9～16的相位差为-90°，可用于产生模态为-2的涡旋波；当信号连接至输入端口6时，输出端口9～16的相位差为+90°，可用于产生模态为+2的涡旋波
(4)采用八元阵列天线作为涡旋电磁信号接收载体，可接收±1、±2四种模态的涡旋电磁波；基于阵列天线的涡旋电磁波接收方法和发送方法相同。
(5)采用8×8的巴特勒矩阵作为接收移相网络，根据阵列天线入口处信号相位特性识别出特定模态的涡旋电磁信号，基于巴特勒矩阵的接收移相网络设计方法和发射移相网络相同。
结合图5，接收巴特勒矩阵由12个混合耦合器，4个交叉耦合器，2个67.5°，2个22.5°，6个0°，2个45°，2个90°，2个-45°移相器组成，排布成特定形式。8元接收阵列天线接收到涡旋电磁信号后，送入巴特勒矩阵，巴特勒矩阵的第一个出口可识别出模态+1的涡旋电磁信号，将信号送至第一接收据链终端，作为第一用户的信号；巴特勒矩阵的第四个出口可识别出模态-1的涡旋电磁信号，将信号送至第二接收据链终端，作为第二用户的信号；巴特勒矩阵的第五个出口可识别出模态+2的涡旋电磁信号，将信号送至第三接收据链终端，作为第三用户的信号；巴特勒矩阵的第六个出口可识别出模态-2的涡旋电磁信号，将信号送至第四接收据链终端，作为第四用户的信号。
(6)采用基于圆形阵列的全口径采样接收技术，利用模态间正交性对干扰信号进行有效抑制。涡旋电磁抗干扰理论基础在于不同模态值的正交性，而其正交性又体现在OAM波束的电场分量存在一个共同的方位角分量(其中l为OAM模态值，为方位角)，该分量的存在通常是涡旋电磁波的一大特征，它保证了电磁波相位的螺旋性及不同模态值的正交性。
其正交性可由式(12)表示
式(12)说明，对于任意的两个波束um,p(·)和un,p(·)，当P固定时，只要它们的模式数m≠n，则它们相乘的积分为零，即满足正交性条件。因此，理论上OAM复用具有无限的干扰抑制能力。
本发明经仿真分析及样机测试，表明在不采用其他干扰抑制手段的基础上，本发明基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，对普通平面波干扰抑制性能达到10dB以上。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (11)

1.一种基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，包括发送端和接收端；
发送端包括发送8元阵列天线、发送移相器和发送数据链终端；发送数据链终端发出信号至发送移相器，发送移相器进行幅度和相位的调理，并发送给8元阵列天线，使得信号到达8元阵列天线发送入口处的相位特性满足要求；发送8元阵列天线将信号生成±1、±2四种模态的涡旋电磁波并向外发送，涡旋电磁波作为信号传输载体；
接收端包括接收8元阵列天线、接收移相器和接收数据链终端；接收8元阵列天线接收±1、±2四种模态的涡旋电磁波并发送给接收移相器，接收移相器识别出对应模态信号并发送给接收数据链终端。
2.如权利要求1所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，发送端和接收段的8元阵列天线发送入口处的相位特性要求为其中N为天线元个数，为8，为相邻两个天线阵面的相位差，l为模态值。
3.如权利要求2所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，每一个天线阵面的形式为同轴线背馈式微带天线。
4.如权利要求2所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，8元阵列天线阵面布局方法为：8天线阵面均匀分布在圆周上，天线阵面朝向辐射方向。
5.如权利要求2所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，接收移相器和发送移相器采用巴特勒矩阵实现。
6.如权利要求5所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，发送巴特勒矩阵由12个混合耦合器，4个交叉耦合器，2个67.5°，2个22.5°，6个0°，2个45°，2个90°，2个-45°移相器组成。
7.如权利要求1所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，4个发送数据链终端输出信号幅度误差不大于0.5dB，相位误差不大于5°。
8.一种权利要求3所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，信号发送方法为：第一发送数据链终端产生第一用户的信号，接入巴特勒矩阵的第一个输入端口，巴特勒矩阵输出端各端口信号相位差为-45°，产生模态为-1的涡旋波；第二发送数据链终端产生第二用户的信号，接到巴特勒矩阵的第四个输入端口，巴特勒矩阵输出端各端口信号相位差为+45°，产生模态为+1的涡旋波；第三发送数据链终端产生第三用户的信号，接到巴特勒矩阵的第五个输入端口，巴特勒矩阵输出端各端口信号相位差为-90°，产生模态为-2的涡旋波；第四发送数据链终端产生第四用户的信号，接到巴特勒矩阵的第六个输入端口，巴特勒矩阵输出端各端口信号相位差为+90°，产生模态为+2的涡旋波。
9.如权利要求5所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，接收巴特勒矩阵由12个混合耦合器，4个交叉耦合器，2个67.5°，2个22.5°，6个0°，2个45°，2个90°，2个-45°移相器组成。
10.一种权利要求3所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，信号接收方法为：8元接收阵列天线接收到涡旋电磁信号后，送入巴特勒矩阵，巴特勒矩阵的第一个出口可识别出模态+1的涡旋电磁信号，将信号送至第一接收据链终端，作为第一用户的信号；巴特勒矩阵的第四个出口可识别出模态-1的涡旋电磁信号，将信号送至第二接收据链终端，作为第二用户的信号；巴特勒矩阵的第五个出口可识别出模态+2的涡旋电磁信号，将信号送至第三接收据链终端，作为第三用户的信号；巴特勒矩阵的第六个出口可识别出模态-2的涡旋电磁信号，将信号送至第四接收据链终端，作为第四用户的信号。
11.如权利要求5所述的基于涡旋电磁波的抗干扰通信系统，其特征在于，利用涡旋电磁波不同模态的正交性，实现对普通平面电磁波的干扰抑制。
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