CN110018357B - 基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统及方法，接收旋涡电磁波发射天线发射的旋涡电磁波，以及平面电磁波发射天线发射的平面电磁波；计算所述平面电磁波和所述旋涡电磁波的相位差；将旋涡电磁波发射天线与接收天线旋转相同的角度，并多次执行接收和计算；根据平面电磁波和不同旋转角度下的旋涡电磁波的相位差变化得到旋涡电磁波的相位特性。本发明通过涡旋相位旋转来测量涡旋电磁波的相位特性，克服了涡旋电磁波远距波束发散无法进行单点模态检测的问题，且检测系统结构简单。

Description

基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统及方法
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体地，涉及基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统及方法。
背景技术
随着科学技术的日新月异，通信技术得到了飞速发展。无线通信向着大容量、高速率的方向发展。无线通信的载体主要是微波、毫米波频段的电磁波，经历了几十年技术的积累与发展，无线通信系统以很低的成本在人们的生活中普及，正如3G、4G、WIFI等通信技术。然而，当前頻谱资源拥挤，如何更合理的利用频谱资源，提高频谱利用率和编码效率，成为当今无线通信领域的一个研究热点。为了提高通信速率，正交频分复用技术(OFDM)、码分多址技术(CDMA)、频分复用技术(FDD)等多种技术得到了应用。为了提高频谱利用率，正交振幅调制(QAM)、空时编码技术等也得到了广泛应用。然而，随着无线终端数量的增加和对无线通信更高速率的要求，需要新技术来提高通信速率与頻谱利用率。携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的电磁波通信系统于近年来被提出，以其涡旋状的相位波前传播，且理论上存在任意多正交模态，这为进一步空分复用技术提供一个理想的发展方向。由于涡旋电磁波具有涡旋相位波前，因此其相位特性与传统的平面电磁波相位特性的测试方法不同。
已有涡旋电磁波的测试方法主要是在传播方向上取一截面，通过近场测试系统测量其幅度和相位。对于远场相位测量，Siavoush M.Mohammadi和Lars K.S.Daldorff在论文“Orbital angular momentum in radio:Measurement methods”中提出，在扩散角的一周放置多个接收天线，运用不同接收天线接收信号的相位差进行测量，但该统的复杂，且多点接收在远距离不易实现。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统及方法。
根据本发明提供的一种基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统，包括：
旋涡电磁波发射天线：设置于可旋转结构上，用以在不同旋转角度下发射旋涡电磁波；
平面电磁波发射天线：发射平面电磁波作为参考相位；
接收天线：设置于可旋转结构上，与所述旋涡电磁波发射天线的旋转角度相同，分别接收所述平面电磁波和不同旋转角度下的所述旋涡电磁波；
矢量网络分析仪：根据接收到的所述平面电磁波和所述旋涡电磁波，输出所述平面电磁波和所述旋涡电磁波的相位差；
计算机：根据所述平面电磁波和不同旋转角度下的所述旋涡电磁波的相位差变化得到所述旋涡电磁波的相位特性。
较佳的，还包括信号源，所述信号源的输出的一路输出信号通过功分器分为两路输出信号，分别传输至所述旋涡电磁波发射天线和所述平面电磁波发射天线。
较佳的，所述两路输出信号分别通过功率放大器传输至所述旋涡电磁波发射天线和所述平面电磁波发射天线。
较佳的，所述旋涡电磁波发射天线和所述平面电磁波发射天线极化正交。
较佳的，所述接收天线包括双极化平面电磁波接收天线，且极化形式与所述旋涡电磁波发射天线和所述平面电磁波发射天线的极化形式相同。
根据本发明提供的一种基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测方法，包括：
步骤S1：接收旋涡电磁波发射天线发射的旋涡电磁波，以及平面电磁波发射天线发射的平面电磁波；
步骤S2：计算所述平面电磁波和所述旋涡电磁波的相位差；
步骤S3：将旋涡电磁波发射天线与接收天线旋转相同的角度，并多次执行步骤S1和步骤S2；
步骤S4：根据平面电磁波和不同旋转角度下的旋涡电磁波的相位差变化得到旋涡电磁波的相位特性。
较佳的，所述旋涡电磁波发射天线与所述接收天线每次旋转的角度包括：5度。
较佳的，所述旋涡电磁波发射天线与所述接收天线分别接收同一信号源的一路输出信号所分出的两路输出信号。
较佳的，所述旋涡电磁波发射天线与所述接收天线极化正交。
较佳的，所述接收天线包括双极化平面电磁波接收天线，且极化形式与所述旋涡电磁波发射天线和所述平面电磁波发射天线的极化形式相同。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过平面电磁波的相位为参考相位，通过涡旋相位旋转来测量涡旋电磁波的相位特性，克服了涡旋电磁波远距波束发散无法进行单点模态检测的问题，大大降低了涡旋电磁波远距离相位测试的复杂度，且检测系统结构简单可靠。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的整体框架图；
图3为本发明的旋涡电磁波发射天线和平面电磁波发射天线的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，涡旋电磁波具有涡旋特性的波前相位截面，当涡旋电磁波天线旋转时，同一点的波前相位也跟随旋转。因此，旋转发射端的涡旋电磁波天线，在同一点接收的涡旋电磁波相位伴随着变化。而作为参考天线的平面电磁波天线，其相位保持不变，便可通过比相得到涡旋电磁波的相位变化特性。
如图2和图3所示，本发明提供的一种基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统，包括：
旋涡电磁波发射天线7：设置于可旋转结构12上，用以在不同旋转角度下发射旋涡电磁波；
平面电磁波发射天线8：发射平面电磁波作为参考相位；
接收天线9：设置于可旋转结构上，与旋涡电磁波发射天线7的旋转角度相同以保持接收极化匹配，分别接收平面电磁波和不同旋转角度下的旋涡电磁波；
矢量网络分析仪4：根据接收到的平面电磁波和旋涡电磁波，输出平面电磁波和旋涡电磁波的相位差；
计算机5：根据平面电磁波和不同旋转角度下的旋涡电磁波的相位差变化得到旋涡电磁波的相位特性。
在本实施例汇总，采用信号源1输出的一路输出信号通过功分器2分为两路输出信号，两路输出信号分别通过功率放大器3传输至旋涡电磁波发射天线7和平面电磁波发射天线8。可旋转结构12和平面电磁波发射天线8分别安装于天线支撑架11，天线支撑架11通过固定支撑架10固定。
旋涡电磁波发射天线7和平面电磁波发射天线8极化正交，接收天线9包括双极化平面电磁波接收天线，且极化形式与旋涡电磁波发射天线7和平面电磁波发射天线8的极化形式相同。
测试原理：基于涡旋电磁波的螺旋波前相位特征，其锥形波束一周的相位变化量为360°·n，其中n为涡旋电磁波的模态阶数。以接收到平面电磁波发射天线8的信号作为基准，当发射的涡旋电磁波天线7旋转一定角度
Figure BDA0001968384770000041
接收端两路信号相位差的变化量为
Figure BDA0001968384770000043
因此，理论上通过相位差的变化量可判断发射涡旋电磁波的模态阶数。如果涡旋电磁波天线7以步进角度
Figure BDA0001968384770000042
旋转一周，可测得该涡旋电磁波束一周的离散相位，可评估其涡旋相位的线性特性。
测试过程：由信号源1产生单频连续波信号，经过功分器2把一路信号分成两路信号，其后接功率放大器3，分别连接平面电磁波发射天线8和涡旋电磁波发射天线7；接收端的接收天线9分别接收涡旋电磁波信号和平面电磁波信号，两路分别经低噪声放大器后接入矢量网络分析仪4的两个端口，得到两路信号的相位差，数据存入计算机5。涡旋电磁波天线7的旋转角度步进可选择5°、10°、15°等(步进角度可依据测量精度需要进行调整)，接收天线9也保持同步旋转以实现接收极化匹配(圆极化天线可不用旋转)。测量不同旋转角度的涡旋电磁波信号和平面电磁波信号，经计算机5后处理，便可得到涡旋电磁波天线的涡旋相位特性。
本发明还提供一种基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测方法，包括：
步骤S1：接收旋涡电磁波发射天线发射的旋涡电磁波，以及平面电磁波发射天线发射的平面电磁波；
步骤S2：计算所述平面电磁波和所述旋涡电磁波的相位差；
步骤S3：将旋涡电磁波发射天线与接收天线旋转相同的角度，并多次执行步骤S1和步骤S2；
步骤S4：根据平面电磁波和不同旋转角度下的旋涡电磁波的相位差变化得到旋涡电磁波的相位特性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统，其特征在于，包括：
旋涡电磁波发射天线：设置于可旋转结构上，用以在不同旋转角度下发射旋涡电磁波；
平面电磁波发射天线：发射平面电磁波作为参考相位；
接收天线：设置于可旋转结构上，与所述旋涡电磁波发射天线的旋转角度相同，分别接收所述平面电磁波和不同旋转角度下的所述旋涡电磁波；
矢量网络分析仪：根据接收到的所述平面电磁波和所述旋涡电磁波，输出所述平面电磁波和所述旋涡电磁波的相位差；
计算机：根据所述平面电磁波和不同旋转角度下的所述旋涡电磁波的相位差变化得到所述旋涡电磁波的相位特性；
所述旋涡电磁波发射天线和所述平面电磁波发射天线极化正交；
所述接收天线包括双极化平面电磁波接收天线，且极化形式与所述旋涡电磁波发射天线和所述平面电磁波发射天线的极化形式相同。
2.根据权利要求1所述的基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统，其特征在于，还包括信号源，所述信号源的输出的一路输出信号通过功分器分为两路输出信号，分别传输至所述旋涡电磁波发射天线和所述平面电磁波发射天线。
3.根据权利要求2所述的基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统，其特征在于，所述两路输出信号分别通过功率放大器传输至所述旋涡电磁波发射天线和所述平面电磁波发射天线。
4.一种基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测系统，执行步骤包括：
步骤S1：接收旋涡电磁波发射天线发射的旋涡电磁波，以及平面电磁波发射天线发射的平面电磁波；
步骤S2：计算所述平面电磁波和所述旋涡电磁波的相位差；
步骤S3：将旋涡电磁波发射天线与接收天线旋转相同的角度，并多次执行步骤S1和步骤S2；
步骤S4：根据平面电磁波和不同旋转角度下的旋涡电磁波的相位差变化得到旋涡电磁波的相位特性。
5.根据权利要求4所述的基于协同旋转的涡旋电磁波相位单点检测方法，其特征在于，所述旋涡电磁波发射天线与所述接收天线每次旋转的角度包括：5度。
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