CN109728448A - 用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构及其激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构及其激励方法，其中所述结构包括同轴设置的一组径向均匀圆环阵列和一组切向均匀圆环阵列，径向均匀圆环阵列包括若干个沿该径向均匀圆环阵列所在的第一圆环径向排列且等间隔分布的第一阵元，所有第一阵元的初始电场矢量方向均沿所述第一圆环径向背对或面对该第一圆环的圆心；切向均匀圆环阵列包括若干个沿该切向均匀圆环阵列所在的第二圆环径向排列且等间隔分布的第二阵元，所有第二阵元的初始电场矢量方向均沿所述第二圆环切线方向顺时针或逆时针排布。本发明可以产生多模复用的且具有不同模态值的携轨道角动量涡旋电磁波，从而有效降低轨道角动量模间干扰，并达到增加传输距离的效果。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构及其激励方法。
背景技术
根据量子力学和麦克斯韦理论，天线辐射的电磁波具有波粒二象性，可以像运动粒子一样携带线动量与角动量。电磁波角动量包括自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)两部分，其中，SAM与光子旋转相关，表现为电磁波的左旋或右旋圆极化，仅有(表示约化普朗克常量)两个正交状态；OAM则与光子波函数空间分布相关，是所有“涡旋电磁波”的基本属性，表现为波束具有螺旋状等相位面并且沿螺旋线传播(如图1所示)。
自1992年Allen等人首次试验证实了具有exp相位因子的拉盖尔-高斯涡旋光束可携带轨道角动量，由此广泛开展了针对能够携带轨道角动量的电磁波的研究，其中，至关重要的一个原因是在理论上OAM有无穷多个本征态，且不同模态之间相互正交，因而在现有通信技术的基础之上，利用携带轨道角动量的电磁波作为信息传输过程中的载体可以极大提高通信系统容量，提升频谱利用率。
针对涡旋电磁波多个本征模态的复用，现阶段普遍采用“大圈套小圈”的共轴传输方式。在毫米波与可见光频段，通常采用准光学器件分束镜将多个独立产生的单模态OAM波在空间上上叠加合成多模态复用波束。基于该技术途径，2012年Wang等人提出并演示了4路OAM模态复用的光通信实验，频谱效率达到了25.6bit/s/Hz。在微波频段上，实现共轴复用的技术途径比较单一，即，设计可同时辐射多个OAM模态的一体化天线，例如：同心圆环阵列天线。所以如何简单高效地产生携带轨道角动量的电磁波，并且对分别携带不同模态值的轨道角动量电磁波进行复用就显得至关重要了。
如今有很多的方法可以产生携带轨道角动量的电磁波，比如有螺旋相位板、时间开关阵列、抛物面天线以及同向均匀圆环阵列天线等，其中，同向均匀圆环阵列天线的结构图如图2所示(图2中箭头的指向为天线的极化方向，相位可顺时针递增，也可逆时针递增)。但是这种结构下产生的携带轨道角动量的涡旋电磁波束具有螺旋相位波前结构，因此在传播方向上通常都存在着相位奇点和方向图零陷，换言之，涡旋电磁波束的主瓣方向与传输方向之间存在着一个夹角，且夹角大小取决于OAM模态值、UCA半径、电波频率等多种因素。主瓣方向与传播方向的不一致，导致了OAM波束在传播路径上的发散，功率损失严重，有效通信距离很近(传输过程可如图3所示)。
由于微波通信的传输环境相对复杂，无线信道质量不稳定；涡旋电磁波的传输不仅受到传输介质的影响，还会有电波绕射与多径等小尺度衰落的干扰。因而，波前的螺旋相位更易出现畸变，导致OAM模态正交性的恶化，频谱效率难以大幅提升；同时，各个模态之间形成的串扰，将严重影响通信的质量。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构及其激励方法，以实现降低模间干扰的轨道角动量增程复用，提高天线增益。
本发明之一所述的一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构，其包括：同轴设置的一组径向均匀圆环阵列和一组切向均匀圆环阵列，其中：
所述径向均匀圆环阵列包括：若干个沿该径向均匀圆环阵列所在的第一圆环径向排列且等间隔分布的第一阵元，所有所述第一阵元的初始电场矢量方向均沿所述第一圆环径向背对或面对该第一圆环的圆心，且每个所述第一阵元均被馈入等幅度的激励信号，且馈入任意两个相邻的所述第一阵元的激励信号的相位差相等；
所述切向均匀圆环阵列包括：若干个沿该切向均匀圆环阵列所在的第二圆环径向排列且等间隔分布的第二阵元，所有所述第二阵元的初始电场矢量方向均沿所述第二圆环切线方向顺时针或逆时针排布，且每个所述第二阵元均被馈入等幅度的激励信号，且馈入任意两个相邻的所述第二阵元的激励信号的相位差相等。
在上述用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构中，所述第一阵元和第二阵元均为线极化天线单元。
在上述用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构中，所述第一阵元和第二阵元为偶极子天线或Vivaldi天线。
本发明之二所述的一种基于上述用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的激励方法，包括以下步骤：
步骤S1，在所述径向均匀圆环阵列中，以任意一个第一阵元为起点，按顺时针或逆时针方向，依次向每个第一阵元馈入等幅度的激励信号，并使馈入任意两个相邻的第一阵元的激励信号的相位差相等，以生成携带第一OAM模态值的第一涡旋电磁波；以及
步骤S2，在所述切向均匀圆环阵列中，以任意一个第二阵元为起点，按顺时针或逆时针方向，依次向每个第二阵元馈入等幅度的激励信号，并使馈入任意两个相邻的第二阵元的激励信号的相位差相等，以生成携带第二OAM模态值的第二涡旋电磁波，该第二涡旋电磁波与第一涡旋电磁波同轴且相互正交，且第二OAM模态值与第一OAM模态值不同。
在上述用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的激励方法中，所有所述第一阵元的相位沿顺时针递增或沿逆时针递增，其中，第ni个第一阵元的相位为其中，N1为径向均匀圆环阵列的第一阵元的个数；L1为径向均匀圆环阵列生成涡旋电磁波的OAM模态值，且其为整数；ni为第一阵元的序列号，且ni＝0-(N1-1)。
在上述用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的激励方法中，所有所述第二阵元的相位沿顺时针递增或沿逆时针递增，其中，第nj个第二阵元的相位为其中，N2为切向均匀圆环阵列的第二阵元的个数；L2为切向均匀圆环阵列生成涡旋电磁波的OAM模态值，且其为整数；nj为第二阵元的序列号，且nj＝0-(N2-1)。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过将径向均匀圆环阵列与切向均匀圆环阵列相组合集成，并分别给径向均匀圆环阵列与切向均匀圆环阵列馈入等幅等相差的激励信号，从而可以产生多模复用的且具有不同模态值的携轨道角动量涡旋电磁波。本发明可有效降低轨道角动量模间干扰，并达到了增加传输距离的效果。此外，本发明还可以通过调节相邻阵元间的相位差实现多种不同模态值之间的复用。
附图说明
图1是涡旋电磁波的示意图；
图2是同向均匀圆环阵列天线的结构示意图；
图3是同向阵所产生的OAM波束的传输过程的示意图；
图4是本发明之一的一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的示意图；
图5是本发明之一中径向均匀圆环阵列的结构示意图；
图6是本发明之一中切向均匀圆环阵列的结构示意图；
图7a-c分别是本发明之一的一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的三种具体形式的示意图；
图8是采用偶极子实现的本发明之一的一种圆环阵列结构的示意图；
图9是采用本发明之二的一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的激励方法所产生的两个具有不同模态值的涡旋波在复用之后得到的增益示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图4-6所示，本发明之一，即一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构，包括：同轴设置的一组径向均匀圆环阵列和一组切向均匀圆环阵列，其中：
径向均匀圆环阵列包括：若干个沿该阵列所在的第一圆环径向排列且等间隔分布的第一阵元，所有第一阵元的初始电场矢量方向(即，如图5中箭头所表示的天线极化方向)均沿第一圆环径向背对或面对该第一圆环的圆心O，且每个第一阵元均被馈入等幅度的激励信号，且馈入任意两个相邻的第一阵元的激励信号的相位差相等(如图5所示，所有第一阵元的相位可沿顺时针递增，也可沿逆时针递增)；
切向均匀圆环阵列包括：若干个沿该阵列所在的第二圆环(该第二圆环与第一圆环具有相同的圆心O)径向排列且等间隔分布的第二阵元，所有第二阵元的初始电场矢量方向(即，如图6中箭头所表示的天线极化方向)均沿第二圆环切线方向顺时针或逆时针排布，且每个第二阵元均被馈入等幅度的激励信号，且馈入任意两个相邻的第二阵元的激励信号的相位差相等(如图6所示，所有第二阵元的相位可沿顺时针递增，也可沿逆时针递增)；
需要注意的是，在图4中，径向均匀圆环阵列所在的第一圆环与切向均匀圆环阵列所在的第二圆环重叠。
在本实施例中，第一阵元和第二阵元均为线极化天线单元，例如：偶极子天线，Vivaldi天线等。
具体来说，在径向均匀圆环阵列中，以任意一个第一阵元为起点，按顺时针或逆时针方向，第ni个第一阵元的相位为其中，N1为径向均匀圆环阵列的第一阵元的个数；L1为径向均匀圆环阵列生成涡旋电磁波的OAM模态值，且其为整数；ni为第一阵元的序列号，且ni＝0-(N1-1)；在切向均匀圆环阵列中，以任意一个第二阵元为起点，按顺时针或逆时针方向，第nj个第二阵元的相位为其中，N2为切向均匀圆环阵列的第二阵元的个数；L2为切向均匀圆环阵列生成涡旋电磁波的OAM模态值，且其为整数；nj为第二阵元的序列号，且nj＝0-(N2-1)；其中，径向均匀圆环阵列生成涡旋电磁波的OAM模态值L1与切向均匀圆环阵列生成涡旋电磁波的OAM模态值L2不同。
在本发明之一中，圆环阵列结构可以有多种形式。假设在上述两组排列方式不同的径向均匀圆环阵列和切向均匀圆环阵列的阵元数量相等(即，N1＝N2)的情况下，则圆环阵列结构至少有以下三种形式：R1＜R2(如图7a所示)；R1＞R2(如图7b所示)；R1＝R2(如图7c所示)；其中，为R1为径向均匀圆环阵列所在的第一圆环的半径，R2为切向均匀圆环阵列所在的第二圆环的半径。另外，在软件具体实施中可采用偶极子作为阵元替代普遍情况，其具体结构如图8所示。
基于上述圆环阵列结构，本发明之二，即，一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的激励方法，包括以下步骤：
步骤S1，在径向均匀圆环阵列中，以任意一个第一阵元为起点，按顺时针或逆时针方向，依次向每个第一阵元馈入等幅度的激励信号，并使馈入任意两个相邻的第一阵元的激励信号的相位差相等，以生成携带第一OAM模态值的第一涡旋电磁波；以及
步骤S2，在切向均匀圆环阵列中，以任意一个第二阵元为起点，按顺时针或逆时针方向，依次向每个第二阵元馈入等幅度的激励信号，并使馈入任意两个相邻的第二阵元的激励信号的相位差相等，以生成携带第二OAM模态值的第二涡旋电磁波，该第二涡旋电磁波与第一涡旋电磁波同轴且相互正交，且第二OAM模态值与第一OAM模态值不同。
下面结合具体实施例对上述方法进行详细说明。
在本实施例中，以频率5.8GHz作为中心频点，通过给与相应的激励，上述圆环阵列结构能够同时产生两个同轴但携带不同模态值的轨道角动量的电磁波，且两者之间相互正交，从而实现了双模复用。具体来说：
首先，以Y轴正方向为起点，沿顺时针方向依次向径向均匀圆环阵列中的8个第一阵元馈入等幅度、等相差的激励信号，即线极化信号，其中，第ni个第一阵元的相位为其中，N1为径向均匀圆环阵列的第一阵元的个数，在此，N1＝8；L1为径向均匀圆环阵列生成的第一涡旋电磁波的第一OAM模态值，在此，L1＝+1；ni为第一阵元的序列号，在此，ni＝0-7；
然后，以Y轴正方向为起点，沿顺时针方向依次向切向均匀圆环阵列中的8个第二阵元馈入等幅度、等相差的激励信号，即线极化信号，其中，第nj个第二阵元的相位为其中，N2为切向均匀圆环阵列的第二阵元的个数，在此，N2＝8；L2为切向均匀圆环阵列生成的第二涡旋电磁波的第二OAM模态值，在此，L2＝-1；nj为第二阵元的序列号，在此，nj＝0-7；
两个具有不同模态值的涡旋波复用之后得到的增益可如图9所示，从该图9中可以看出本发明提出的新型均匀圆环阵列结构可以很好地增加涡旋电磁波的传输距离，而且因为复用后的涡旋波在主瓣上的增益比径向均匀圆环阵列和切向均匀圆环阵列单独生成的涡旋波在主瓣上的增益要高，所以这一新型圆环阵列结构也有效的降低了模间干扰。
综上所述，本发明可实现无线通信中携带轨道角动量的电磁波的产生、复用，降低模间干扰以及增程等效果，适用于微波和毫米波频段上的轨道角动量复用通信系统中，有效地降低了不同模态复用时模间的干扰，提高了携带轨道角动量电磁波的传播距离。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (6)
1.一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构，其特征在于，所述结构包括：同轴设置的一组径向均匀圆环阵列和一组切向均匀圆环阵列，其中：
所述径向均匀圆环阵列包括：若干个沿该径向均匀圆环阵列所在的第一圆环径向排列且等间隔分布的第一阵元，所有所述第一阵元的初始电场矢量方向均沿所述第一圆环径向背对或面对该第一圆环的圆心，且每个所述第一阵元均被馈入等幅度的激励信号，且馈入任意两个相邻的所述第一阵元的激励信号的相位差相等；
所述切向均匀圆环阵列包括：若干个沿该切向均匀圆环阵列所在的第二圆环径向排列且等间隔分布的第二阵元，所有所述第二阵元的初始电场矢量方向均沿所述第二圆环切线方向顺时针或逆时针排布，且每个所述第二阵元均被馈入等幅度的激励信号，且馈入任意两个相邻的所述第二阵元的激励信号的相位差相等。
2.根据权利要求1所述的用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构，其特征在于，所述第一阵元和第二阵元均为线极化天线单元。
3.根据权利要求2所述的用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构，其特征在于，所述第一阵元和第二阵元为偶极子天线或Vivaldi天线。
4.一种基于权利要求1-3中任意一项所述的用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的激励方法，包括以下步骤：
步骤S1，在所述径向均匀圆环阵列中，以任意一个第一阵元为起点，按顺时针或逆时针方向，依次向每个第一阵元馈入等幅度的激励信号，并使馈入任意两个相邻的第一阵元的激励信号的相位差相等，以生成携带第一OAM模态值的第一涡旋电磁波；以及
步骤S2，在所述切向均匀圆环阵列中，以任意一个第二阵元为起点，按顺时针或逆时针方向，依次向每个第二阵元馈入等幅度的激励信号，并使馈入任意两个相邻的第二阵元的激励信号的相位差相等，以生成携带第二OAM模态值的第二涡旋电磁波，该第二涡旋电磁波与第一涡旋电磁波同轴且相互正交，且第二OAM模态值与第一OAM模态值不同。
5.根据权利要求4所述的用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的激励方法，其特征在于，所有所述第一阵元的相位沿顺时针递增或沿逆时针递增，其中，第ni个第一阵元的相位为其中，N1为径向均匀圆环阵列的第一阵元的个数；L1为径向均匀圆环阵列生成涡旋电磁波的OAM模态值，且其为整数；ni为第一阵元的序列号，且ni＝0-(N1-1)。
6.根据权利要求4所述的用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构的激励方法，其特征在于，所有所述第二阵元的相位沿顺时针递增或沿逆时针递增，其中，第nj个第二阵元的相位为其中，N2为切向均匀圆环阵列的第二阵元的个数；L2为切向均匀圆环阵列生成涡旋电磁波的OAM模态值，且其为整数；nj为第二阵元的序列号，且nj＝0-(N2-1)。
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