CN113381794A - 一种调整oam波束指向的方法及发射机结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种调整OAM波束指向的方法，包括：根据OAM波束的目标偏转角度、目标通信距离和发射的天线阵元的数目确定发射机结构的各个天线阵元的位置；天线阵元均设置在发射平面上，且天线阵元的阵列在偏斜波束的正截面上的投影是UCA阵列；确定对各个天线阵元的相位调整值和幅度增益调整因子，并在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的相位和幅度进行用于波束偏转的调整，从而调整OAM波束的指向。本专利提出的方法包括根据目标波束角度和应用场景的通信距离设计平面椭圆阵，且根据目标波束角度和椭圆阵进行用于波束偏转的相位和幅度调整，一定程度上解除了OAM共轴通信的限制。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及MIMO波束赋形和OAM复用通信，适用于基于UCA的OAM通信系统。
背景技术
1992年，Allen通过实验证明电磁波携带OAM[1]。OAM(轨迹角动量)与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。OAM拥有无穷多个正交模态的涡旋电磁波，理论上可以承载无穷多路信息同时同频的复用传输，从而提供了一种独立于时间、频率与极化之外的信息复用新自由度，有望成倍提升无线通信系统的网络容量、频谱效率、抗干扰与抗截获能力。
2007年，B.thide等人通过实验证明：给UCA(uniformcircular antenna array，均匀圆环天线阵)馈以等幅等相差的信号可以生成OAM[2]。基于UCA的OAM通信框图如图1所示。自此，研究人员在基于UCA的OAM通信领域进行了大量的研究。但是，研究内容主要还是集中于共轴信道下的OAM通信。文献[3,4]设计了不同结构的UCA天线阵来提高涡旋正交性；文献[5,6]分析了基于UCA的OAM的通信性能；文献[7,8]将OAM调制结合传统的OFDM等技术用于提升基于UCA的OAM通信性能。
UCA是一种特定形式的MIMO天线阵，而基于UCA的OAM生成本质上是一种基于离散傅里叶变换(DFT)的波束赋形[9]。在OAM生成的波束赋形通信系统中，目前通常可以采用三种不同的波束赋形架构：数字波束赋形、模拟波束赋形、混合波束赋形[10]，三者的结构图如图2A-图2C所示。在图2A-图2C中，射频前端102特指不包含移相器，包含本振电路、混频器、滤波器、功率放大器的链路的统称。
在图2A中，在数字波束赋形架构中，天线101的数目和射频前端102的数目完全相同，每根天线101连接到独立的射频前端102和相应的模数转换器105。由于基带处理和射频处理具有等效性，波束赋形可以通过基带数字信号处理实现。根据MIMO多路复用原理，当追求最大复用增益时，这种方案每条射频前端102可以通过模数转换器105传输独立的数据流给数字信号处理模块(DSP)106，因此复用增益高。但是由于射频链路数量大，系统开销大。
在图2B所示，在模拟波束赋形架构中，多个天线101共享同一个射频前端102，在射频域通过天线移相器103控制每个天线101的相位实现波束赋形。多个天线101通过一个加法器104合成到一起。天线移相器103相对于整个射频前端102而言，实现复杂度低，因此这种方法的系统开销小。然而，由于只有单一的射频前端102，这种方案只能通过模数转换器105传输单路数据流给数字信号处理模块106，提供功率增益，无法提供多路复用增益。
在图2C中，混合波束赋形架构结合了数字和模拟波束赋形的优点，采用多个射频前端102，每个射频前端102均与多个天线101连接。这种情况下，模拟射频域的天线移相器103实现了波束赋形的功能，带来了功率增益。同时，多个射频前端102可以通过模数转换器105独立地传输多条数据流给数字信号处理模块106，实现多路数据复用。混合波束赋形在系统复杂度和复用增益之间取了一个折中，是目前主流的Massive MIMO波束赋形方案。
MIMO射频链路属于波束赋形通信系统的一部分。在MIMO射频链路中，根据PSN(Phase Shifter Network，移相器网络)所处位置的不同，目前的移相结构可分为射频移相，载波移相，中频移相三种移相结构，结构图如图3A-图3C所示[11]。如图3A-图3C所示的MIMO射频链路均为发射端电路结构，图3A-图3C中的RF子链路特指包含滤波器、功率放大器的链路统称，RF子链路中不包含移相器。
如图3A所示，在射频移相结构中，PSN电路201存在于MIMO射频链路的发射通道和接收通道的射频前端(即射频链路)的电路中，例如PSN电路201与图3A中的RF子链路1021相邻，RF子链路特指包含滤波器、功率放大器的链路的统称。由于PSN电路201存在于射频前端中，其插入损耗会同时对发射链路的线性功率以及接收链路的接收噪声系数产生影响，降低整个天线阵最大线性输出功率和接收灵敏度。同时毫米波频段的射频移相器存在移相精度不高、不同移相值幅度波动较大的缺点。
如图3B所示，本振移相(即载波移相)架构中的PSN电路202位于本振电路所在的电路中。在本振链路上进行移相对系统信噪比和收发通道的增益影响较小，因为混频器204对本振的噪声和线性要求比信号路径上更容易满足，而且混频器对于本振信号的幅度波动不敏感。
如图3C所示，对于中频移相结构，PSN电路203的位置在混频器204之前的中频电路中(图中的输入信号即由中频电路产生)。中频相移结构具有更多的移相器类型，可以实现更精细的移相精度，并且在所有相移状态下具有低幅度波动。其次，使用中频移相由于频段低可以极大的降低PSN的成本。该方案的缺点是由于传统电调移相器的尺寸随着频率的降低而变大，需要占用更大的电路面积，在大规模天线阵列中该问题会变得更显著。
对于Massive MIMO波束赋形方案中的特定指向波束赋形而言，已有研究表明，采用常规的理想移相器进行移相会产生波束偏斜问题，而采用现有的基于延迟线的TTD移相器可以保证信号带宽内的所有频点产生相同的波束指向[12]。这里的真时延(TTD)移相器就是指延迟线型的移相器。
顾名思义，理想的移相器的作用是对发射信号带宽内的频点都移动相同的相位。实际电路是无法实现理想移相器的，只能设计满足一定性能指标(如移相精度，工作带宽)的移相器。实际的移相器根据电路结构大体可以分为两类：延迟线型，矢量调制型。延迟线型具体包括：开关线型、加载线型、高低通型等等。此类移相器可统称为延迟线移相器或者真时延(TTD)移相器。
为便于后续表述本发明的控制波束指向的方法，这里以均匀线性阵(ULA)为例分析MIMO波束成型的原理，原理图如图4所示。这里假设一般化的波束指向角为θ，中心频率为f0，中心频率波长为λ0，中心频率目标指向角为θ0，阵元之间的间距为d，θ的方向是任意的，而θ在图4中所示的方向就是θ0。若要形成特定波束指向，可近似采用后述方法进行分析。
假设发射天线从左至右编号为0到N-1。过N-1号天线阵元作一条与波束指向垂直的直线，命名为同相线，同相线如图4中的斜线所示。从图中可以看出，若要使波束指向为θ角，则各个发射天线发射到同相线位置处的信号应该完全相同，这样才能够形成θ角方向相同信号的叠加。在同相线位置处形成相同信号叠加本质上需要不同发射天线信号的时延副本在此处完全相同。而由于波束倾角的存在，每个发射天线到同相线的距离不一样，传输的时延也不一样。参考图4中所作的三角形，相邻发射天线到达同相线的时延差可以通过下式计算出：
前面所述的延迟是由于物理传输距离差引起的延迟，若要抵消这部分延迟，则需要在每个发射天线端进行反向发射信号延迟。图中最左侧的0号天线离平面最远，其传播延时为(N-1)Δt，则从左往右的传输延时为(N-1)Δt，(N-2)Δt，...0。因此，为了使得所有发射天线信号到达同相线的总延时相同，则从左至右天线使用延迟线移相器附加的延迟为0，Δt，2Δt...(N-1)Δt。
以上论述说明了Massive MIMO波束赋形系统采用延迟线型的移相器做延迟，并根据实际通信系统需求将上述的延迟线型的移相器应用于MassiveMIMO波束赋形系统的载波移相、射频移相、或者中频移相架构中，是一种理想的方法。其本质原因是当信号发射在自由空间传播时，其所经历的是整体信号的延迟。若要抵消这类延迟，使得整体发射信号在指定方向角处叠加，则需要在发射天线处同样采用延迟线的方法进行信号延迟，即相同的信号在不同的天线端口上延迟不同的时延发送。根据文献[12]，采用真时延(TTD)移相器可以保证OAM波束在整个信号带宽内不发生偏斜。
然而，理想的移相器应该是对整体信号乘以一个相移因子，即对发射信号带宽里的每个频点都产生相同的相移，这点与延迟线移相器是不同的，两者的区别可如下表述。假设目标相移量为
其中，
是目标移相量、ω是载波频率、Δt是传播时间。
对理想移相器而言，
恒定，ω和Δt成反比。对延迟线类型的移相器而言，Δt恒定，
和ω成正比。假设采用理想移相器进行Massive MIMO波束赋形，同样以图4的ULA为例，则：
其中，λ0和f0为中心频点(载波频点)的波长和频率，θ0为中心频率目标指向角(参考前述)。假设发射信号带宽内的任意频点的频率表示为f，任意频点的指向角表示为θ，则当使用理想移相器时有下式成立：
令任意频率指向角θ和目标指向角θ0的偏差角为Δθ，则有：
θ＝θ0+Δθ (0.5)
则可以推出：
从上式可以看出非目标频率的指向角偏差Δθ随频率的变化而变化，即说明采用理想移相器时，只有中心频率的指向角为目标指向角，发射信号带宽内的其他频点都存在指向角偏差，且随着频点的变化，指向角偏差也相应发生变化。
而OAM的生成则和传统的Massive MIMO不一样，需要采用理想的移相器，或者直接在载波上进行移相(即采用上文所述的本振移相结构)，以保证信号带宽内的每个频点产生相同的相移，如此才能在整个信号带宽内都产生完美的涡旋。
当前基于UCA的OAM通信一般都是在视距共轴信道下进行的(即收发UCA的圆心轴线在同一条直线上)，这种UCA共轴极大地限制了OAM复用通信的应用场景。实际的通信场景由于部署条件的限制，收发UCA的圆心轴线可能不在同一条直线上。根据文献[13]，基于UCA的OAM通信的模态正交性的保持依赖于物理信道的循环特性，即信道矩阵为循环信道矩阵。而对基于UCA的OAM通信而言，信道矩阵为循环矩阵的充要条件为收发UCA共轴，当收发UCA圆心不对准或者说产生角度偏转时，信道的循环特性被破坏，OAM模态正交性下降。现有研究一般都是围绕提升OAM共轴复用场景下的通信性能进行的，在非共轴OAM通信和调整OAM波束指向方面的研究较少。
现有的文献[14]分析了非对准UCA环境下的OAM通信性能，然后提出了收发端联合纠正算法，但采用此算法后，UCA生成的电磁波不再是涡旋波，不存在OAM的模态正交性，基于UCA的OAM通信完全退化为传统的MIMO通信，失去了OAM通信的优势。
根据空间几何原理，当OAM波束在一维线性方向进行偏转后，此时若将平面UCA投影到偏转波束的正截面上，则UCA在偏转线性方向的直径会发生收缩，导致偏斜波束的正截面上的投影变成椭圆阵[15]。
OAM成型需要任意时刻都能保证发射信号等幅等相差，即针对于任何频点都能产生相同的相移，而实际电路无法制成宽带范围内的理想移相器[16]。因此，若直接在射频域使用移相器进行OAM相位调整，会导致射频宽带信号的各个频点的相位差不一样，从而破坏OAM模态正交性。根据文献[17]，在载波上进行相位调整与在射频域进行相位调整具有等效性，而载波信号为单频点信号，在载波上进行相位调整可以保证最终的射频信号在整个信号带宽内产生相同的相移，符合生成理想OAM涡旋波的条件。
基于上述原理，可以考虑研究一种调整OAM波束指向的方法及发射机结构，以解决OAM通信受限于UCA共轴的问题。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的在于提供一种调整OAM波束指向的方法及发射机结构，以解决OAM通信受限于UCA共轴的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种调整OAM波束指向的方法，其用于基于UCA的OAM通信系统且仅适用于在一维线性方向对OAM波束进行偏转，包括：
S1：根据OAM波束的目标偏转角度、目标通信距离和发射的天线阵元的数目确定发射机结构的各个天线阵元的位置；天线阵元均设置在发射平面上，且天线阵元的阵列在偏斜波束的正截面上的投影是UCA阵列；
S2：确定对各个天线阵元的相位调整值和幅度增益调整因子，并在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的相位和幅度进行用于波束偏转的调整，从而调整OAM波束的指向。
所述步骤S1包括：
S11：根据目标通信距离确定偏斜的OAM波束的正截面上的UCA的半径；
S12：以OAM波束的正截面上的UCA的半径作为发射平面上的椭圆的短轴长度，根据OAM波束的目标偏转角度确定发射平面上的椭圆的长轴长度；
S13：根据发射的天线阵元的数目，确定各个天线阵元在所述椭圆的圆周上的位置。
在所述步骤S11中，OAM波束的正截面上的UCA的半径b为：
其中，b为OAM波束的正截面γ上的UCA的半径，λ为载波波长，dR为UCA的瑞利距离，dUCA为收发UCA的目标通信距离；
在所述步骤S12中，发射平面上的椭圆的长轴长度a通过以下公式计算：
b＝acos(θ)，
其中，b为发射平面xoy上的椭圆的短轴长度，a为发射平面xoy上的椭圆的长轴长度，θ为目标偏转角度。
所述步骤S13包括：选定发射的天线阵元的数目N，先将各个天线阵元的投影均匀部署到OAM波束的正截面γ的圆的圆周上，再将各个天线阵元的投影映射到平面椭圆上，得到各个天线阵元在所述椭圆的圆周上的位置。
所述步骤S2包括：
S21：根据目标偏转角度和天线阵元的位置确定对各个天线阵元的相位调整值，并在发射机结构发射OAM波束时根据所述相位调整值来调整各个天线阵元的信号的延迟发射时间；
S22：根据目标偏转角度和天线阵元的位置确定对各个天线阵元的幅度增益调整因子，并在发射机结构发射OAM波束时根据所述相位调整值来调整各个天线阵元的信号的幅度。
在所述步骤S21中，利用真时延移相器来调整各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)；各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)为：
其中，τ(n)为n号天线阵元的信号发射时间；λ为载波波长，θ为目标偏转角度，c是光速，x(n)为n号天线阵元的x轴方向上的坐标值，
为n号天线阵元的相位调整值，
N为天线阵元的总数；
在所述步骤S22中，各个天线阵元的幅度增益调整因子为：
其中，A(n)为n号天线阵元的幅度增益调整因子，d(n)为n号天线阵元的传播距离，d0为远场的基准传播距离，dR为瑞利距离，x(n)为n号天线阵元在x轴方向上的坐标值，θ为目标偏转角度，N为天线阵元的总数。
在所述步骤S2中，通过对各个天线阵元所发射的信号进行用于生成OAM波束的相位调整，来使得发射机结构发射OAM波束；对各个天线阵元的信号所进行的用于生成OAM波束的相位调整值为：
其中，
是对n号天线阵元的信号所进行的用于生成OAM波束的相位调整值，l是OAM的模态，n为天线阵元的序数，N为天线阵元的总数。
另一方面，本发明提供一种调整OAM波束指向的发射机结构，其用于基于UCA的OAM通信系统且仅适用于在一维线性方向对OAM波束进行偏转，包括：多个天线阵元所组成的阵列，各个天线阵元均设置在发射平面上，且天线阵元的阵列在偏斜波束的正截面上的投影是UCA阵列；各个天线阵元的位置根据OAM波束的目标偏转角度、目标通信距离和发射的天线阵元的数目确定；第一级移相器，其与发射机结构的本振电路相连；所述第一级移相器对各个天线阵元的相位调整值经过预先设置，使得第一级移相器对各个天线阵元所发射的信号进行用于生成OAM波束的相位调整；第二级移相器，其与发射机结构的射频子链路相连；第二级移相器对各个天线阵元的相位调整值经过预先设置，使得第二级移相器设置为在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的相位进行用于波束偏转的调整；以及一组可变增益放大器，其与射频子链路相连；可变增益放大器对各个天线阵元的幅度增益调整因子经过预先设置，使得可变增益放大器设置为在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的幅度进行用于波束偏转的调整。
所述调整OAM波束指向的发射机结构还包括一组混频器，所述混频器的两个入口端分别连接所述本振电路和基带电路，所述混频器的出口端连接所述射频子链路。
所述第二级移相器为真时延移相器，真时延移相器对各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)为：
其中，τ(n)为n号天线阵元的信号发射时间；λ为载波波长，θ为目标偏转角度，c是光速，x(n)为n号天线阵元的x轴方向上的坐标值，
为n号天线阵元的相位调整值，
N为天线阵元的总数；
可变增益放大器5对各个天线阵元的幅度增益调整因子为：
其中，A(n)为n号天线阵元的幅度增益调整因子，d(n)为n号天线阵元的传播距离，d0为远场的基准传播距离，dR为瑞利距离，x(n)为n号天线阵元在x轴方向上的坐标值，θ为目标偏转角度，N为天线阵元的总数。
本发明的调整OAM波束指向的方法根据目标波束角度和应用场景的通信距离设计椭圆天线阵，天线阵元的阵列在偏斜波束的正截面上的投影是UCA阵列，以保证发射的是基于UCA的OAM波束；同时根据目标偏转角度和椭圆阵对发射的信号进行用于波束偏转的相位和幅度调整，可使OAM波束进行定向偏转，同时保证UCA在非共轴的情况下的OAM模态的正交性，一定程度上解除了OAM共轴通信的限制，能够将OAM应用到一般化的视距通信系统中，从而极大地拓展了基于UCA的OAM通信的应用场景。
此外，本发明的调整OAM波束指向的发射机结构，采用本振移相结合射频移相，本振移相用于产生OAM，射频移相用于波束偏转；与射频电路相连的移相器以及可变增益放大器的参数根据阵元幅度补偿和相位调整方法设定，通过两级移相操作结合增益调节补偿，可以使得OAM波束在一维指定角度上进行偏转，从而使OAM波束进行定向偏转，并保证UCA在非共轴的情况下的OAM模态的正交性。
附图说明
图1是基于UCA的OAM通信的原理图。
图2A-图2C是现有的波束赋形通信系统的波束赋形架构图，其中图2A示出了数字波束赋形架构，图2B示出了模拟波束赋形架构，图2C示出了混合波束赋形架构。
图3A-图3C示出了现有的波束赋形通信系统中的MIMO射频链路的多个移相结构的结构示意图，其中，图3A示出了射频移相结构，图3B示出了载波移相结构，图3C示出了中频移相结构。
图4是现有的采用TTD移相结构的ULA在波束赋形时的原理图。
图5是本发明的发射平面的天线阵元的椭圆阵列投影为空间斜面上圆形阵列的映射原理图，其中，偏转方向为x轴正向θ角度。
图6是本发明的发射平面的天线阵元的椭圆阵列投影为空间斜面上圆形阵列的映射原理图，其中，偏转方向为x轴负向θ角度。
图7是本发明的根据各个天线阵元的位置对相位进行用于波束偏转的调整的具体原理图。
图8是根据本发明的一个实施例的调整OAM波束指向的发射机结构的结构示意图。
图9A-图9E是调整OAM波束指向的发射机结构得到的OAM波束偏转仿真结果图，图9A为OAM偏转波束三维方向图，图9B为斜面接收三维相位图，图9C为将斜面放平后的平面相位图，图9D为斜面接收三维幅度图，图9E为将斜面放平后的平面幅度图。
具体实施方式
本发明提供了一种调整OAM波束指向的方法，该方法适用于基于UCA的OAM通信系统。其中，所述调整OAM波束指向的方法仅适用于在一维线性方向对OAM波束进行偏转。
所述调整OAM波束指向的方法具体包括如下步骤：
步骤S1：根据OAM波束的目标偏转角度、目标通信距离和发射的天线阵元的数目确定OAM通信系统的发射机结构的各个天线阵元的位置；天线阵元均设置在发射平面xoy上，且天线阵元的阵列在偏斜波束的正截面上的投影是UCA阵列；
OAM成型的必要条件是如图5所示，发射天线阵在波束的正截面上必须为UCA，对应于背景技术部分所提及的基于空间几何原理的投影方式以及本发明所涉及的波束偏转情况，即要求处于偏斜的波束正截面上的阵列为UCA，按照投影的对称性原理，这对应于天线阵元在其自身所处的原始的发射平面上所形成的平面阵变为椭圆阵，因此需要将发射平面上的阵列位置按椭圆阵进行调整。因此，在所述步骤S1中，天线阵元均设置在发射平面xoy上并且以椭圆阵的形式排布，且天线阵元的阵列在偏斜波束的正截面上的投影是UCA阵列。
此外，若要完全确定平面椭圆阵，还需要知道椭圆的长短轴长。根据平面椭圆与偏斜波束正截面圆的映射关系，确定偏斜波束正截面圆的半径再结合投影映射关系即可得到椭圆的长短轴长。由于基于UCA的OAM复用通信系统一般应用于短距离场景中，即通信距离可以预先确定，本专利采用基于通信距离和波束瑞利距离反推UCA半径的方法确定UCA的半径。根据UCA半径确定平面椭圆后，选定天线数目，结合圆环天线阵与椭圆天线阵阵元位置的映射关系即可完全确定平面椭圆阵的具体位置。以下将分别进行具体阐述。
所述步骤S1具体包括：
步骤S11：根据目标通信距离确定偏斜的OAM波束的正截面上的UCA的半径；
步骤S12：以OAM波束的正截面上的UCA的半径作为发射平面上的椭圆的短轴长度，根据OAM波束的目标偏转角度确定发射平面上的椭圆的长轴长度。
步骤S13：根据发射的天线阵元的数目，确定各个天线阵元在所述椭圆的圆周上的位置。由此，设计出的天线阵元的阵列为发射平面上的椭圆天线阵列。
在所述步骤S11中，根据目标通信距离确定平面椭圆的短轴长度，具体基于以下原理：
根据背景技术部分的文献[9]，当通信距离小于瑞利距离时，基于UCA的OAM通信可以获得最高的复用性能。此处沿用前述的变量定义，假设γ平面上UCA的半径为b，同时假设目标场景的OAM通信距离为dUCA，载波波长为λ。根据文献[9]，UCA的瑞利距离为：
其中，b为OAM波束的正截面γ上的UCA的半径，λ为载波波长，dR为UCA的瑞利距离。
为了保证OAM复用通信的性能，一般选择UCA的通信距离略小于瑞利距离dR，此处为了在传播距离和复用性能上取一个折衷，选择收发UCA的目标通信距离为瑞利距离dR，即
dUCA＝dR (1.2)
其中，dUCA为收发UCA的目标通信距离，dR为UCA的瑞利距离。
基于此，给定目标通信距离dUCA后，根据公式(1.2)可推出，OAM波束的正截面γ上的UCA的半径为：
其中，b为OAM波束的正截面γ上的UCA的半径，λ为载波波长，dR为UCA的瑞利距离，dUCA为收发UCA的目标通信距离。
因此，在所述步骤S11中，利用公式(1.3)来根据目标通信距离确定偏斜的OAM波束的正截面上的UCA的半径。
由此，通过确定OAM波束正截面的上圆的半径，确定圆的绝对大小，进而确定发射平面xoy上的椭圆的短轴的绝对长度。
在所述步骤S12中，确定发射平面xoy上的椭圆的长轴长度，主要基于发射平面的椭圆到偏斜的OAM波束正截面的上圆的映射原理。
发射平面的椭圆到偏斜的OAM波束正截面的上圆的映射原理如下：
由于本发明的调整OAM波束指向的方法只在一维线性方向上对波束指向进行调整，不失一般性，因此在本实施例中，假设在x方向上进行波束偏转，如图5所示。根据前述的投影原理，当波束只在x方向进行偏转时，若要保证平面天线阵列投影到空间斜面上后成为UCA阵列，则发射平面上的天线阵元的阵列需要调整为椭圆阵列。为了便于后续表述，此处同时给图5添加了直角坐标和极坐标的标注。
如图5所示，假设椭圆处于发射平面xoy上，椭圆的长轴长度为a，短轴长度为b。OAM波束的目标偏转角度为θ，偏斜的OAM波束的正截面γ的法向量为
法向量与z轴的夹角为OAM波束的目标偏转角度θ。
为了方便后续分析，这里选取法向量为过发射平面xoy的原点o的向量，如图5中所示，其中x轴为椭圆的长轴方向，y轴为椭圆的短轴方向。由于本专利的方法仅在x维度上进行波束指向调整调整，图中仅调整θ，φ恒取0。综合前两点，可知正截面γ的法向量
在xoz平面上。当仅仅在θ方向进行投影时，只有处于x轴上的椭圆轴会发生长度伸缩。过最右侧x轴上的天线阵元作正截面γ的法向量
的垂线，则垂线也在xoz平面上，且平行于OAM波束的正截面γ。从图中可以看出，发射平面xoy上的椭圆的长轴a被映射成与斜面平行的线段a′。由图中的投影三角形可知：
a′＝acos(θ) (1.4)
从图中的投影关系可以看出，投影线段a′和椭圆短轴b完全映射到γ平面上圆的直径，即：
a′＝b (1.5)
因此，若要使得平面椭圆映射到γ平面上的圆，则椭圆的短轴b和长轴a应该满足如下关系：
b＝acos(θ) (1.6)
其中，b为发射平面xoy上的椭圆的短轴长度，a为发射平面xoy上的椭圆的长轴长度，θ为目标偏转角度。
注意，由于对称关系，所设计的椭圆可以用于两个角度的偏转。上述为x轴正向θ角度的偏转，此处的映射关系同样适用于x轴负向θ角度的偏转，简图如图6所示。
因此，在所述步骤S12中，利用公式(1.6)来确定发射平面xoy上的椭圆的长轴长度。
步骤Sl1和步骤S12，根据公式(1.3)和公式(1.6)即可完全确定发射平面上的椭圆。步骤S12通过目标偏转角度确定OAM波束正截面上的圆到发射平面上的椭圆的映射关系，并结合步骤S11确定的偏斜波束正截面的UCA半径，即可确定发射平面的椭圆的长短轴长。
根据步骤S11和步骤S12取定发射平面的椭圆后，在步骤S13中，还需要根据选定的发射的天线阵元的数目，将各个天线阵元部署到椭圆上，部署方法需保证映射到偏斜波束正截面γ上的阵列为UCA，本专利按下述方法进行发射平面天线阵元的部署。
所述步骤S13具体包括：选定发射的天线阵元的数目N，先将各个天线阵元的投影均匀部署到OAM波束的正截面γ的圆的圆周上，再将各个天线阵元的投影映射到平面椭圆上，得到各个天线阵元在所述椭圆的圆周上的位置。
其中，将各个天线阵元的投影映射到平面椭圆上对应于图5，需要利用公式(1.7)来进行缩放。该公式(1.7)类似于上文的公式(1.6)(即短轴不变，长轴拉伸的映射关系)，即在发射平面xoy上的天线阵元的在y轴方向上的坐标值不变，在x轴方向上的坐标值按公式(1.7)放缩，即可最终确定平面椭圆上的发射天线阵。
x′＝xcos(θ) (1.6)
其中，x′为天线阵元的投影在沿着正截面γ且垂直于y轴方向(即椭圆的短轴方向)的方向上的坐标值，x为天线阵元在x轴方向(即沿椭圆的长轴方向)上的坐标值，θ为目标偏转角度。
步骤S2：确定对各个天线阵元的相位调整值和幅度增益调整因子，并在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的相位和幅度进行用于波束偏转的调整，从而调整OAM波束的指向。
基于前述的椭圆到圆映射原理，我们已经能够将发射平面上的天线阵元映射为偏转的OAM波束的正截面γ上的圆阵列，下一步即需要对各个天线阵元的相位和幅度进行调整，使得波束能够进行指定角度的偏转。传统的针对椭圆阵调整波束指向的方法一般是利用椭圆阵的方向图综合公式，这种方法较为复杂，计算量较大。由于本专利只在一维线性方向(即x轴方向)进行指向调整，基于此，本专利提出了一种简单高效的相位调整方法。
本专利的相位调整方法参考现有的一维线阵相位调整法，将椭圆上的天线阵元全部映射为长轴上的线阵，根据发明背景技术中线阵的相位调整原理进行相位调整。同时，为了保证OAM波束正交性，本专利根据各个天线阵元的传播距离差进行增益补偿来调整信号的幅度。为了清晰地表述本专利的幅度和相位调整原理，图7示出了根据步骤S1确定的各个天线阵元的位置对相位进行调整的具体原理图。
所述步骤S2包括：
步骤S21：根据目标偏转角度和天线阵元的位置确定对各个天线阵元的相位调整值，并在发射机结构发射OAM波束时根据所述相位调整值来调整各个天线阵元的信号的延迟发射时间；由此，实现了OAM波束偏转所需的各个天线阵元所发射的信号的相位调整。
根据前述的椭圆投影到圆的原理，当进行指定θ角度投影时，可以认为只有椭圆的长轴发生了伸缩。此处我们将不在长轴上的天线阵元都投影到长轴上，然后根据线阵的相位调整原理进行相位调整。如图7所示，假设天线阵元的总数为N(N为偶数)，天线阵元的序数沿逆时针编号为0...N-1。令n号天线阵元在x轴方向上的坐标值为x(n)，相位调整值为
以0号天线阵元的相位作为参考相位(即0号天线相位
取为0)，按照x坐标进行相位计算，有：
其中，x(n)为n号天线阵元的x轴方向上的坐标值，
为n号天线阵元的相位调整值，
θ为目标偏转角度，λ为载波波长。
对于波束偏转，如发明背景技术中所述，需要使用真时延(TTD)移相器(即延迟线型的移相器)来进行相位控制。假设n号天线阵元的信号的延迟发射时间为τ(n)，则有：
其中，τ(n)为n号天线阵元的信号发射时间；λ为载波波长，θ为目标偏转角度，c是光速，x(n)为n号天线阵元的x轴方向上的坐标值，
为n号天线阵元的相位调整值，
N为天线阵元的总数。
真时延(TTD)移相器的长度为τ(n)c，即为(1.9)中的分母所示。
因此，在所述步骤S21中，利用公式(1.10)来确定各个天线阵元的相位调整值。
在所述步骤S21中，利用真时延移相器来调整各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)，其中利用公式(1.11)来确定各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)。
步骤S22：根据目标偏转角度和天线阵元的位置确定对各个天线阵元的幅度增益调整因子，并在发射机结构发射OAM波束时根据所述相位调整值来调整各个天线阵元的信号的幅度。由此，实现波束偏转所需的各个天线阵元所发射的信号的幅度调整。
在远场情况下，电磁波在自由空间中传播公式为[9]：
其中，h(d)是信道公式，λ为载波波长，d是传播距离。
信号幅度按倒数关系衰减，假设远场的基准传播距离为d0，此处将远场的基准传播距离d0选择为瑞利距离：
d0＝dR (1.13)
d0为远场的基准传播距离，dR为瑞利距离。
其中，瑞利距离利用上文的公式(1.1)，由UCA的半径和载波波长来计算得到。瑞利距离是根据UCA半径和载波波长计算得出的一个参量，在本实施例中，将目标通信距离dUCA和远场的基准传播距离d0都设置成瑞利距离。
假设0号天线阵元的传播距离为远场的基准传播距离d0，则n号天线阵元的传播距离可以定义为
d(n)＝d0+|x(n)-x(0)|sin(θ) (1.14)
d(n)为n号天线阵元的传播距离，d0为远场的基准传播距离，x(n)为n号天线阵元在x轴方向上的坐标值，x(0)为天线阵元在x轴方向上的坐标值，θ为目标偏转角度；
幅度增益调整因子需要补偿公式(1.15)中的传播距离引起的幅度衰减，基于式(1.16)的导数关系，可得n号天线阵元的幅度增益调整因子A(n)为：
其中，A(n)为n号天线阵元的幅度增益调整因子，d(n)为n号天线阵元的传播距离，d0为远场的基准传播距离，dR为瑞利距离，x(n)为n号天线阵元在x轴方向上的坐标值，θ为目标偏转角度，N为天线阵元的总数。
因此，在所述步骤S22中，利用公式(1.18)来确定各个天线阵元的幅度增益调整因子。
在所述步骤S2中，通过对各个天线阵元所发射的信号进行用于生成OAM波束的相位调整，来使得发射机结构发射OAM波束；
假设要生成的OAM模态为l，则对各个天线阵元的信号所进行的用于生成OAM波束的相位调整值为：
其中，
是对n号天线阵元的信号所进行的用于生成OAM波束的相位调整值，l是OAM的模态，n为天线阵元的序数，N为天线阵元的总数。
基于上文所述的调整OAM波束指向的方法，可以实现一种调整OAM波束指向的发射机结构，所述发射机结构用于基于UCA的OAM通信系统且仅适用于在一维线性方向对OAM波束进行偏转，其具体结构如图8所示。需要注意的是实际的发射机结构的射频链路一般有正交和同相两路调制，这里为方便结构表述，仅画了一路调制信号(同相信号)的处理结构。
如图8所示，所述调整OAM波束指向的发射机结构包括多个天线阵元1所组成的阵列，其中，各个天线阵元1均设置在发射平面xoy上，且天线阵元1的阵列在偏斜波束的正截面上的投影是UCA阵列；各个天线阵元1的位置根据OAM波束的目标偏转角度、目标通信距离和发射的天线阵元1的数目确定。
其中，由于基于UCA的OAM通信系统通常用在有限距离的静态通信场景中，通信距离可以预先设定。此处根据实际的应用场景需求选定目标偏转角θ和通信距离d。
此外，所述调整OAM波束指向的发射机结构还包括一组混频器2，所述混频器2的两个入口端分别连接本振电路和基带电路(图未示)，本振电路设置为输出本地振荡信号LO(即信号g(t))，所述基带电路设置为输出基带模拟信号s(t)，所述混频器2的出口端连接射频(RF)子链路4。射频(RF)子链路4包含滤波器、功率放大器，但不包括移相器。
本发明的调整OAM波束指向的发射机结构设有一共两级移相器(PSN)，即第一级移相器31和第二级移相器32，以及一组可变增益放大器5。
第一级移相器31与本振电路相连(即作用于载波端)，用于OAM生成；第一级移相器31对各个天线阵元的相位调整值经过预先设置，使得第一级移相器31设置为对各个天线阵元所发射的信号进行用于生成OAM波束的相位调整。
第二级移相器32与射频子链路4相连(即作用于射频端)，使得所述混频器2的出口端经过第二级移相器32来连接射频子链路4，用于调整OAM波束指向；第二级移相器32对各个天线阵元的相位调整值经过预先设置，第二级移相器32设置为在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的相位进行用于波束偏转的调整，从而与可变增益放大器(VGA)5共同调整OAM波束的指向。
可变增益放大器5通过第二级移相器32同样与射频子链路4相连。可变增益放大器5对各个天线阵元的幅度增益调整因子经过预先设置，使得可变增益放大器5设置为在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的幅度进行用于波束偏转的调整，从而补偿波束偏转的路径差引起的信号幅度偏差，进而保证了偏斜OAM波束的正交性，进而与上文的第二级移相器32共同调整OAM波束的指向。
由此，第二级移相器32和可变增益放大器5共同实现了类似于上文的方法的步骤S2所实现的功能。
在本实施例中，所述第一级移相器31通过第一功分网络61与本振电路相连，以通过第一功分网络61接收本地振荡信号LO并功分为分路信号；所述混频器2通过第二功分网络62与基带电路相连，以通过第二功分网络62基带模拟信号s(t)并功分为分路信号。
用于OAM生成的第一级移相器31作用于载波端，从而在载波上进行相位调整，以保证最终的射频信号在整个信号带宽内产生相同的相移，符合生成理想OAM涡旋波的条件。由于载波是单频点信号，理论上第一级移相器31可以采用任意类型的移相器。
所述用于调整OAM波束指向的第二级移相器32采用TTD移相器，且直接作用于射频端。根据背景技术部分的内容，采用真时延(TTD)移相器可以保证OAM波束在整个信号带宽内不发生偏斜。真时延移相器设置为调整各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)，以在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的相位进行用于波束偏转的调整；各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)如上文的公式(1.8)计算得出。
由此，发射机结构中的具体信号流关系表述如下：
假设基带模拟信号为s(t)，经过第二功分网络62后得到N路经过分路的发射数据信号sn(t)。为了简化陈述，这里假设分路的信号与原始信号幅度相等(不影响分析结果)，则分路的发射数据信号sn(t)为
sn(t)＝s(t) (1.20)
本地振荡信号LO为：
g(t)＝cos(2πfct) (1.21)
经过功分器后，同样不考虑幅度变化，得到分路的本地振荡信号gn(t)：
gn(t)＝g(t) (1.22)
假设目标OAM模态为l，gn(t)信号经过N路移相后得到经过分路和移相的本地振荡信号fn(t)(即分路的发射数据信号)：
分路的发射数据信号sn(t)和经过分路和移相的本地振荡信号fn(t)经过混频后得到射频信号pn(t)：
射频信号pn(t)经过可变增益放大器后得到经过增益修正的信号vn(t)：
其中A(n)可由式，n＝0...N-1(1.17)计算得出。
vn(t)为经过TTD移相后得到最终的发射信号Tn(t)：
其中τn可由公式(1.8)计算得出。
实验结果
此处选择载波频率为30GHz，对应载波波长为：λ＝10mm。偏转角设定为
OAM模态设置为l＝1，为了保证天线阵元间隔小于半波长，此处选择天线数N＝64，椭圆短轴为b＝20λ，长轴为
将此处的参数应用于如图8所示的发射机结构图中，得到的仿真结果图如图9A-图9E所示。
图9A为OAM偏转波束三维方向图；图9B、图9C为采用斜面接收的相位图，图9B为斜面接收三维相位图，图9C为将斜面放平后的平面相位图；图9D、图9E为斜面接收幅度图，图9D为斜面接收三维幅度图，图9E为将斜面放平后的平面幅度图。从图9A的三维方向图可以看出，采用本专利的方法后波束发生了指定角度的偏转。从图9B-图9E可以看出，当采用与波束垂直的接收平面去接收信号时，接收平面上存在较为理想的涡旋波，幅度和相位满足涡旋特性。此处具体实施例的验证了本专利方法的有效性。
当前基于UCA的OAM通信系统普遍采用共轴的方式进行数据传输，极大地限制了OAM的应用场景。本专利的方法在一定程度上可以解除这种限制，通过两级移相操作结合增益调节补偿，可以使得OAM波束在一维指定角度上进行偏转，让UCA在非共轴的情况下仍能保证OAM模态正交性。本专利的方法适用于基于UCA的OAM通信系统。
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 (10)
1.一种调整OAM波束指向的方法，其用于基于UCA的OAM通信系统且仅适用于在一维线性方向对OAM波束进行偏转，其特征在于，包括：
步骤S1：根据OAM波束的目标偏转角度、目标通信距离和发射的天线阵元的数目确定发射机结构的各个天线阵元的位置；天线阵元均设置在发射平面上，且天线阵元的阵列在偏斜波束的正截面上的投影是UCA阵列；
步骤S2：确定对各个天线阵元的相位调整值和幅度增益调整因子，并在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的相位和幅度进行用于波束偏转的调整，从而调整OAM波束的指向。
2.根据权利要求1所述的调整OAM波束指向的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11：根据目标通信距离确定偏斜的OAM波束的正截面上的UCA的半径；
步骤S12：以OAM波束的正截面上的UCA的半径作为发射平面上的椭圆的短轴长度，根据OAM波束的目标偏转角度确定发射平面上的椭圆的长轴长度；
步骤S13：根据发射的天线阵元的数目，确定各个天线阵元在所述椭圆的圆周上的位置。
3.根据权利要求2所述的调整OAM波束指向的方法，其特征在于，在所述步骤S11中，OAM波束的正截面上的UCA的半径b为：
其中，b为OAM波束的正截面γ上的UCA的半径，λ为载波波长，dR为UCA的瑞利距离，dUCA为收发UCA的目标通信距离；
在所述步骤S12中，发射平面上的椭圆的长轴长度a通过以下公式计算：
b＝acos(θ)，
其中，b为发射平面xoy上的椭圆的短轴长度，a为发射平面xoy上的椭圆的长轴长度，θ为目标偏转角度。
4.根据权利要求2所述的调整OAM波束指向的方法，其特征在于，所述步骤S13包括：选定发射的天线阵元的数目N，先将各个天线阵元的投影均匀部署到OAM波束的正截面γ的圆的圆周上，再将各个天线阵元的投影映射到平面椭圆上，得到各个天线阵元在所述椭圆的圆周上的位置。
5.根据权利要求1所述的调整OAM波束指向的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21：根据目标偏转角度和天线阵元的位置确定对各个天线阵元的相位调整值，并在发射机结构发射OAM波束时根据所述相位调整值来调整各个天线阵元的信号的延迟发射时间；
步骤S22：根据目标偏转角度和天线阵元的位置确定对各个天线阵元的幅度增益调整因子，并在发射机结构发射OAM波束时根据所述相位调整值来调整各个天线阵元的信号的幅度。
6.根据权利要求5所述的调整OAM波束指向的方法，其特征在于，在所述步骤S21中，利用真时延移相器来调整各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)；各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)为：
其中，τ(n)为n号天线阵元的信号发射时间；λ为载波波长，θ为目标偏转角度，c是光速，x(n)为n号天线阵元的x轴方向上的坐标值，
为n号天线阵元的相位调整值，
N为天线阵元的总数；
在所述步骤S22中，各个天线阵元的幅度增益调整因子为：
其中，A(n)为n号天线阵元的幅度增益调整因子，d(n)为n号天线阵元的传播距离，d0为远场的基准传播距离，dR为瑞利距离，x(n)为n号天线阵元在x轴方向上的坐标值，θ为目标偏转角度，N为天线阵元的总数。
7.根据权利要求1所述的调整OAM波束指向的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通过对各个天线阵元所发射的信号进行用于生成OAM波束的相位调整，来使得发射机结构发射OAM波束；对各个天线阵元的信号所进行的用于生成OAM波束的相位调整值为：
其中，
是对n号天线阵元的信号所进行的用于生成OAM波束的相位调整值，l是OAM的模态，n为天线阵元的序数，N为天线阵元的总数。
8.一种调整OAM波束指向的发射机结构，其用于基于UCA的OAM通信系统且仅适用于在一维线性方向对OAM波束进行偏转，其特征在于，包括：
多个天线阵元所组成的阵列，各个天线阵元均设置在发射平面上，且天线阵元的阵列在偏斜波束的正截面上的投影是UCA阵列；各个天线阵元的位置根据OAM波束的目标偏转角度、目标通信距离和发射的天线阵元的数目确定；
第一级移相器，其与发射机结构的本振电路相连；所述第一级移相器对各个天线阵元的相位调整值经过预先设置，使得第一级移相器对各个天线阵元所发射的信号进行用于生成OAM波束的相位调整；
第二级移相器，其与发射机结构的射频子链路相连；第二级移相器对各个天线阵元的相位调整值经过预先设置，使得第二级移相器设置为在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的相位进行用于波束偏转的调整；以及
一组可变增益放大器，其与发射机结构的射频子链路相连；可变增益放大器对各个天线阵元的幅度增益调整因子经过预先设置，使得可变增益放大器设置为在发射机结构发射OAM波束的同时对各个天线阵元所发射的信号的幅度进行用于波束偏转的调整。
9.根据权利要求1所述的调整OAM波束指向的发射机结构，其特征在于，还包括一组混频器，所述混频器的两个入口端分别连接所述本振电路和基带电路，所述混频器的出口端连接所述射频子链路。
10.根据权利要求1所述的调整OAM波束指向的发射机结构，其特征在于，所述第二级移相器为真时延移相器，真时延移相器对各个天线阵元的信号的延迟发射时间τ(n)为：
其中，τ(n)为n号天线阵元的信号发射时间；λ为载波波长，θ为目标偏转角度，c是光速，x(n)为n号天线阵元的x轴方向上的坐标值，
为n号天线阵元的相位调整值，
N为天线阵元的总数；
可变增益放大器5对各个天线阵元的幅度增益调整因子为：
其中，A(n)为n号天线阵元的幅度增益调整因子，d(n)为n号天线阵元的传播距离，d0为远场的基准传播距离，dR为瑞利距离，x(n)为n号天线阵元在x轴方向上的坐标值，θ为目标偏转角度，N为天线阵元的总数。
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