基于圓陣列嵌套電磁渦旋波mimo系統(tǒng)收發(fā)天線布局及渦旋信號分離方法與裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于均勻圓陣列(UCA，Uniform Circle Array)分形嵌套渦旋電磁波MIMO系統(tǒng)天線陣元布局，即由半徑為r0陣元數(shù)為M的UCA等間隔分布在半徑為R的圓周上形成UCA分形嵌套結(jié)構(gòu)，半徑為r0的UCA互不重疊且任意兩個半徑為r0的UCA陣元間距不小于1/2載波波長；公開了渦旋電磁波MIMO信號并行分離方法，即采用本發(fā)明所述天線構(gòu)成渦旋電磁MIMO系統(tǒng)，接收端天線陣元按半徑為r0的UCA分組，并按組對陣元的響應(yīng)做遍歷通信雙方約定的模態(tài)l極坐標正交變換，得去渦旋MIMO信號，再對其解MIMO獲得系統(tǒng)譜效益；公開了渦旋電磁波MIMO信號分離方法的實現(xiàn)裝置。
【專利說明】
基于圓陣列嵌套電磁渦旋波ΜI MO系統(tǒng)收發(fā)天線布局及渦旋信 號分離方法與裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向ΜΜ0的渦旋電磁波信號正交變換分離方法與裝置，屬于通信 信號處理技術(shù)與雷達信號處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨5G無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的諸如手機終端無線通信終端、車載無 線監(jiān)控終端等進了人們的日常生活，這些設(shè)備廣泛使用(特別是在擁擠的城市），使得有限 的頻譜資源顯得更加緊張。與此同時，人們又不斷追求無線通信向更高傳輸速率、更加可靠 以及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，使得本已緊俏的可用頻帶承載更是雪上加霜。目前，從信號調(diào)制、功 率控制、抗干擾以及多天線等技術(shù)多角度聯(lián)合運用提升頻帶利用率已經(jīng)走到了瓶頸階段， 必須尋找新技術(shù)突破增加現(xiàn)有無線通信信道的容量。2011年6月24日，瑞典科學(xué)家Bo Tide 和意大利帕多瓦大學(xué)Fabrizio Tamburini等人在意大利威尼斯驗證了禍旋電磁波傳輸信 息的能力，為人們打開了一扇無線通信技術(shù)發(fā)展的新大門。
[0003] 渦旋電磁波無線通信技術(shù)的提出并不是Bo Tide等人憑空想象的，早在Tide演示 系統(tǒng)出現(xiàn)的20余年前，物理學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了渦旋光束。隨科技技術(shù)的發(fā)展，2000年以后，渦旋 光束傳輸與應(yīng)用研究成為光學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點，但是渦旋概念在Bo Tide等人之前并 未引申到通信的微波波段。經(jīng)典電動力學(xué)理論，渦旋電磁波是攜帶有軌道角動量(Orbital angular momentum，0ΑΜ)的電磁波，不同的軌道角動量的禍旋電磁波具有不同的螺旋相位 波前。利用相同頻率而不同螺旋相位波前的電磁波可以同時在同一信道互不干擾傳遞，從 而極大地增加信道的傳輸容量，Tide等人的研究成果一經(jīng)報道，在世界范圍內(nèi)迅速掀起了 渦旋電磁波數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯繜岢薄?br>[0004] 2015年以來，隨研究的深入，人們對載頻在微波波段及其以下的渦旋電磁波的產(chǎn) 生、傳輸特征掌握的越來越清晰，相繼有文獻報道了渦旋電磁波無線傳輸演示系統(tǒng)（截止 2016年3月19日，報道的渦旋電磁波無線傳輸演示系統(tǒng)的距離約500米），將渦旋電磁波與無 線ΜΙΜ0技術(shù)相結(jié)合，可同時獲得渦旋波的譜效與ΜΙΜ0的譜效，極大的擴展頻帶的容量。目前 這方面的文獻報道僅僅局限在系統(tǒng)增益效果的研究上，并未見渦旋電磁波在ΜΜ0系統(tǒng)中如 何快速實現(xiàn)多模態(tài)的分離方法的報道。
[0005] 在微波波段以下，有關(guān)文獻報道渦旋電磁波模態(tài)識別多借鑒了渦旋光束的干涉方 法與相位梯度差檢測方法。其中干涉方法在微波波段可以應(yīng)用，但對于短波波段的渦旋電 磁波而言，由于信號波長相對更長，干涉圖樣會更大，不便于存儲與對比辨識。實踐（或文 獻)證明：在單束渦旋光束通信中，渦旋信號的振幅、相位是不帶調(diào)制信息的，否則會影響干 涉圖樣清晰度，因此采用干涉法識別信號的渦旋電磁波通信系統(tǒng)，沒有最大化利用渦旋電 磁波的可用調(diào)制維度，且系統(tǒng)中含有多個模態(tài)（即拓撲核)渦旋波時，該分離方法的識別能 力有限?？梢灶A(yù)見:干涉方法分離渦旋電磁波的模態(tài)在渦旋電磁波ΜΙΜ0通信系統(tǒng)中是不適 用的。
[0006] 相位梯度差法渦旋波模態(tài)檢測分離是通過在遠端渦旋波束中心軸的不同方位角 布局兩個或多個接收天線(或陣子），根據(jù)這些天線(或陣子)采樣樣本估算渦旋電磁波的模 態(tài)信息的，顯然，使用這種方法的渦旋電磁波通信系統(tǒng)，其渦旋信號的振幅、相位是不能攜 帶調(diào)制信息的，這一點與干涉方法相同。實踐(或文獻)也證明，由于無線渦旋電磁波空間傳 播易受各種因素的影響，相位梯度差法分離多模態(tài)混合渦旋電磁波模態(tài)信息能力有限，受 采樣天線布局、估算方法與量化計算等人為因素的影響，精度有限。因此，相位梯度差這類 方法在渦旋電磁波Μ頂0通信系統(tǒng)中也不適用的。
[0007] 也有文獻報道渦旋波的模態(tài)檢測采用逆向螺旋相位板法，該方法由反向的螺旋相 位板將具有特定頻率特定模態(tài)渦旋電磁恢復(fù)為平面波再按照平面波接收方法實現(xiàn)的。在渦 旋電磁波ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)中，空間具有多個模態(tài)的渦旋電磁波，且其載頻有異有同，故而可 知:逆向螺旋相位板這類方法在渦旋電磁波ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)中是不適用。
[0008]本發(fā)明人(組)在2016年1月31日向我國國家專利局提交的《基于空間正交變換的 渦旋電磁波信號模態(tài)并行分離方法與裝置》（申請?zhí)枺?01610077471.1)發(fā)明專利申請材料 中，其中提出了基于空間正交變換的多模態(tài)渦旋并行分離方法是針對渦旋空間對稱性提出 的，對于渦旋電磁波ΜΙΜΟ系統(tǒng)，每一對半徑Π )的均勻圓陣列收、發(fā)天線不再滿足該專利《基 于空間正交變換的渦旋電磁波信號模態(tài)并行分離方法與裝置》中要求收發(fā)天線對齊且平行 的條件，因此之直接減基于空間正交變換方法使用在渦旋電磁波ΜΜ0通信系統(tǒng)進行模態(tài)分 離是不合適的。
[0009]目前，尚未見文獻報道一種多模態(tài)分離方法適用于渦旋電磁波ΜΜ0系統(tǒng)，本發(fā)明 人(組)結(jié)合空間信號處理原理、分形幾何理論與ΜΜ0通信技術(shù)等，從渦旋電磁波ΜΜ0通信 各種要求以及渦旋波信號收、發(fā)特點出發(fā)，首先提出了適用于電磁磁渦旋波ΜΙΜΟ系統(tǒng)的圓 陣列分形嵌套收、發(fā)天線(陣子)布局結(jié)構(gòu)，并從該天線的幾何結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合最優(yōu)陣列信號 處理理論，對渦旋波Μπω系統(tǒng)的接收信號進行建模，在此基礎(chǔ)上，又提出了模態(tài)1極坐標正 交變換方法實現(xiàn)電磁渦旋波ΜΙΜΟ系統(tǒng)多模態(tài)分離方法，該方法可有效利用渦旋電磁波ΜΙΜΟ 系統(tǒng)所有可用調(diào)制維度，最大化發(fā)揮渦旋電磁波增益與ΜΜ0增益，為渦旋電磁波ΜΜ0系統(tǒng) 的研究與發(fā)展提供技術(shù)智力支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在解決渦旋電磁波Μπω系統(tǒng)多模態(tài)(拓撲核)渦旋電磁波的分離問題，最 大化發(fā)揮渦旋電磁波的信道增益與Μ頂0信道增益。
[0011] 下面的【具體實施方式】中描述了本發(fā)明的進一步特征和方面。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明所述均勻圓陣列嵌套(分形)結(jié)構(gòu)的電磁渦旋波ΜΙΜ0系統(tǒng)收、發(fā)天線 (陣子)布局結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖2為采用本發(fā)明所述mMO系統(tǒng)收、發(fā)天線進行電磁渦旋波mMO信號分離前，渦旋 信號接發(fā)建模分析示意圖。
[0014] 圖3為本發(fā)明所述電磁渦旋波ΜΜ0系統(tǒng)多模態(tài)分離實現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖，圖3中，1.兩 層均勻圓陣列嵌套分形結(jié)構(gòu)的電磁渦旋波Μπω系統(tǒng)收、發(fā)天線，2.模態(tài)1極坐標正交變換器 組，3.模態(tài)控制器，4.解Μ頂0單元，5.控制器。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明所述為一種面向電磁渦旋波MMO系統(tǒng)收、發(fā)天線布局結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)原理，并 論述了在該原理指導(dǎo)下實現(xiàn)的兩層均勻圓陣列分形嵌套渦旋電磁波MM0天線作為收、發(fā)天 線時，接收端完成多模態(tài)Μπω渦旋信號分離方法以及該分離方法的實現(xiàn)裝置。
[0016]無線通信系統(tǒng)中，以均勾圓陣列天線作為禍旋電磁波收/發(fā)（見"Generation of orbital angular momentum(0AM)radio beams with phased patch array"，Qiang Bai， Alan Tennant，Ben Allen，Masood Ur Rehman，Antennas and Propagation Conference (LAPC)，2013Loughborough，PP410-413，以引用的方式將其公開在此)是可行的，結(jié)合渦旋 電磁波空間結(jié)構(gòu)以及非渦旋ΜΜ0的基本原理，本發(fā)明人(組)提出了均勻圓陣列嵌套分形結(jié) 構(gòu)渦旋電磁波ΜΜ0天線陣子布局結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它是由N個半徑為r〇、陣元數(shù)為Μ的均勻 圓陣列天線（陣元間隔d(d<A Q/2，AQ為載頻波長)按間隔D(D>>AQ/2)均勻分布半徑為R(R >>r〇)的圓周上構(gòu)成的圓陣列嵌套而成，且半徑為R的圓周上的任意兩個或多個半徑為r〇 的均勻圓陣列天線之間的不同陣子間距均不小于λ〇/2。
[0017] 面向均勻圓陣列兩層嵌套陣子布局的電磁渦旋波ΜΜ0系統(tǒng)接收端渦旋信號的分 離方法是:利用均勻圓陣列嵌套天線1接收空間渦旋電磁波ΜΙΜ0信號，根據(jù)渦旋電磁波ΜΙΜ0 天線陣子布局結(jié)構(gòu)，可知處于半徑為ro陣元數(shù)為Μ的一對收、發(fā)均勻圓陣列天線內(nèi)的不同陣 元對所對應(yīng)的信道特性具有強相關(guān)特性（即近似一致性），因此處于收、發(fā)嵌套天線上的一 對半徑為ro的均勻圓陣列天線，其不同的收、發(fā)陣元間對應(yīng)的信道特性是相同的，本發(fā)明人 (組)給出了接收信號的建模方法及其建模示意如圖2所示。
[0018] 同時本發(fā)明公開了基于均勻圓陣列嵌套渦旋電磁波ΜΙΜ0信號分離方法的實現(xiàn)裝 置，如圖3所示。圖3中，均勻圓陣列嵌套(分形)結(jié)構(gòu)天線1的Ν個均勻圓陣列將采集到的空間 ΜΠΚ)信號通過射頻總纜并行輸出給模態(tài)1極坐標正交變換器組2,模態(tài)1極坐標正交變換器 組2在模態(tài)控制器3控制下，對輸入信號做極坐標正交變換器（即去模態(tài)分離），并將分離后 的非渦旋ΜΙΜ0信號給解ΜΙΜ0單元4;其中模態(tài)1極坐標正交變換器組2、模態(tài)控制器3與解 ΜΙΜ0單元4同時收控制器5同步。
[0019] 下面將描述極坐標正交變換的渦旋電磁波ΜΜ0信號模態(tài)分離方法的詳細執(zhí)行過 程。通信雙方采用本發(fā)明所述如圖1所示圓陣列嵌套(分形)結(jié)構(gòu)天線（陣子)作為渦旋電磁 波ΜΙΜ0系統(tǒng)的收、發(fā)天線，處在半徑為ro的圓周上的陣子按所在半徑為ro的均勾圓陣列天線 收、發(fā)禍方定電石茲波（見 "Generation of orbital angular momentum(0AM)radio beams with phased patch array"，Qiang Bai，Alan Tennant,Ben Allen,Masood Ur Rehman， Antennas and Propagation Conference(LAPC)，2013Loughborough，PP41〇-413,以引用的 方式將其公開在此），以發(fā)送天線的幾何中心為坐標原點〇建立坐標系(稱為〇系），將接收天 線所在平面向發(fā)送天線所在平面投影并平移，使得二者重合(這一過程，可歸為ΜΜ0系統(tǒng)的 信道函數(shù)），如圖2所示，圖2中各個半徑為的均勻圓陣列天線建立自己的坐標系（分別稱 為ο η(η = 0，1，···，N-1)系），依照圖2所示的οη(η = 0，1，···，N-1)系的坐標軸均于〇系坐標軸平 行，在上述條件下，渦旋電磁波ΜΜ0接收天線第η個半徑為Π )的接收圓陣列的中心〇n的多模 態(tài)渦旋波基帶信號的復(fù)包絡(luò)按式(1)進行，
[0020]
[0021]式（1)中1為渦旋電磁波的模態(tài)(或拓撲核），渦旋電磁波不同模態(tài)攜帶的信息幅度 為、,/⑴、信息相位為約⑴，「·?為上取整運算符，l·」為下取整運算符，，⑴為mm〇發(fā)送天 線中第nt個半徑為r〇的均勾圓陣列天線的中心到ΜΙΜΟ接收天線第n r個半徑為r〇的均勾圓陣 列天線的中心的信道函數(shù)，Θ為以οη(η = 0，1，…，N-1)坐標系為參考的渦旋波方位角，見,,"為 在投影重疊面上，發(fā)送天線的％坐標系原點(η = 0，1，···，Ν-1)與接收天線的〇η坐標系原的 點連線在&坐標系下的方位角；
[0022] 按照電磁渦旋波ΜΜ0天線（陣子)布局結(jié)構(gòu)，渦旋電磁波ΜΜ0接收天線第η個半徑 為Π )的接收圓陣列天線的陣子收到的多模態(tài)渦旋波基帶信號的復(fù)包絡(luò)可按式(2)進行，
[0023]
[0024] 式(2)中
：對式(2)的％(14)進行關(guān)于渦旋電磁波模態(tài) 1的極坐標正交變換，可按式(3)進行，
[0025]
[0026] 由式(3)可從接收天線中第η個半徑為ro的均勻圓陣列天線分離出關(guān)于模態(tài)m的獨 立調(diào)制信號，m遍歷通信雙方約定的模態(tài)1的取值，η遍歷接收天線數(shù)N，可以得到ΜΜ0系統(tǒng)中 每個發(fā)送天線上所有模態(tài)渦旋電磁波經(jīng)獨立信道傳輸后的去渦旋信號，對其按照普通平面 波ΜΜ0信號進行均衡解調(diào)，可以獲得ΜΙΜΟ系統(tǒng)發(fā)送源不同模態(tài)下的獨立調(diào)制信息，預(yù)期實 現(xiàn)系統(tǒng)的頻譜效益改善值最大為Ν X Μ，其中Ν是普通(或經(jīng)典)ΜΙΜΟ系統(tǒng)的復(fù)用效益，Μ是模 態(tài)復(fù)用效益。
[0027] 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以根據(jù)以上的技術(shù)方案和構(gòu)思，做各種相應(yīng)改變 和變形，而所有的這些改變和變形都應(yīng)該包括在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 面向電磁渦旋波MMO系統(tǒng)收、發(fā)天線（陣子)布局結(jié)構(gòu)，其特征在于，電磁渦旋波MMO 系統(tǒng)收、發(fā)天線（陣子)布局結(jié)構(gòu)具有均勻圓陣列天線嵌套結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由N個半徑為ro、陣 元數(shù)為M的均勻圓陣列天線(陣元間隔d(,λ〇為載頻波長）以間隔D()均勻在半 徑R(R>>rQ)的圓周上排列而成，且滿足相鄰半徑為ro的均勻圓陣列天線之間的陣子間距 同樣不小于λ〇/2。2. 面向電磁渦旋波MMO系統(tǒng)的電磁渦旋信號分離方法，其特征在于，該方法利用均勻 圓陣列嵌套渦旋電磁波MIMO系統(tǒng)收發(fā)天線結(jié)構(gòu)特點，可知處于半徑為陣元數(shù)為M的一對 收、發(fā)均勻圓陣列天線內(nèi)的不同陣元對所對應(yīng)的信道特性具有強相關(guān)特性（即近似一致 性），接收端對半徑為Π )的一個均勻圓陣列天線的所有陣元的輸出做關(guān)于模態(tài)1極坐標正交 變換，得出一個關(guān)于模態(tài)1的解渦旋的MMO信號，遍歷通信約定的模態(tài)1取值與半徑為r〇的 獨立接收圓陣列天線，可實現(xiàn)多模態(tài)渦旋電磁波MMO信號的分離；同時本發(fā)明公開了基于 均勻圓陣列嵌套渦旋電磁波MMO信號分離方法的實現(xiàn)裝置。 所述電磁渦旋波MIMO信號多模態(tài)分離方法包括如下步驟： (a) 通信雙方采用本發(fā)明所述的圓陣列嵌套結(jié)構(gòu)天線作為收/發(fā)天線，處在半徑為r〇的 圓周上的陣子按所在半徑為r〇的均勾圓陣列天線收/發(fā)禍旋電磁波（見"Generation of orbital angular momentum(OAM)radio beams with phased patch array"，Qiang Bai， Alan Tennant,Ben Allen,Masood Ur Rehman,Antennas and Propagation Conference (LAPC)，2013 Loughborough，PP41〇-413,以引用的方式將其公開在此），以發(fā)送天線的幾何 中心為坐標原點〇建立坐標系(稱為〇系），并在各個半徑為r〇的均勻圓陣列天線建立自己的 坐標系(分別稱為〇 η(η = 0，1，···，Ν-1)系），且οη(η = 0，1，···，Ν-1)系的坐標軸分別于〇系坐標 軸平行，于此同時，將接收天線所在平面向發(fā)送天線所在平面投影，二者重合，在上述條件 下，渦旋電磁波MMO接收天線第η個半徑為Π )的接收圓陣列的中心〇"的多模態(tài)渦旋波基帶信 號的復(fù)包絡(luò)可按式（1)進行，式（1)中1為渦旋電磁波的模態(tài)（或拓撲核），渦旋電磁波不同模態(tài)攜帶的信息幅度為 么，;(〇、信息相位為MO，「·?為上取整運算符，|_·」為下取整運算符Λ?, W為μ頂〇發(fā)送天線 中第m個半徑為r〇的均勾圓陣列天線的中心到MIMO接收天線第nr個半徑為r〇的均勾圓陣列 天線的中心的信道函數(shù)，Θ為以ο η(η = 0，1，···，N-1)坐標系為參考的渦旋波方位角，&a為在 投影重疊面上，發(fā)送天線的&坐標系原點(η = 0，1，···，Ν-1)與接收天線的〇n坐標系原的點 連線在\坐標系下的方位角； (b) 按照權(quán)利要求1電磁渦旋波MBTO天線（陣子)布局結(jié)構(gòu)，渦旋電磁波MMO接收天線第 η個半徑為r〇的接收圓陣列天線的陣子收到的多模態(tài)渦旋波基帶信號的復(fù)包絡(luò)可按式(2) 進行，(C)對式(2)的&(14)進行關(guān)于渦旋電磁波模態(tài)1的極坐標正交變換，可按式(3)進行，由式(3)可從接收天線中第η個半徑為r〇的均勾圓陣列天線分離出關(guān)于模態(tài)m的獨立調(diào) 制信號，m遍歷通信雙方約定的模態(tài)1的取值，η遍歷接收天線數(shù)N，可以得到MMO系統(tǒng)中每個 發(fā)送天線上所有模態(tài)渦旋電磁波經(jīng)獨立信道傳輸后的去渦旋信號，對其按照普通平面波 MHTO信號均衡解調(diào)，可以預(yù)期實現(xiàn)系統(tǒng)的頻譜效益改善值最大為ΝΧΜ，其中N是普通(或經(jīng) 典)ΜΠΚ)系統(tǒng)的復(fù)用效益，M是模態(tài)復(fù)用效益。3. 用于面向電磁渦旋波MMO系統(tǒng)的電磁渦旋信號分離裝置，其特征在于：渦旋電磁波 MHTO系統(tǒng)的收、發(fā)天線具有均勻圓陣列嵌套分形結(jié)構(gòu)；均勻圓陣列嵌套接收天線的每一個 局部獨立均勻圓陣列天線的所有陣子響應(yīng)輸出到對應(yīng)的極坐標正交變換器，由對應(yīng)極坐標 正交變換器在模態(tài)控制器的控制下對輸入信號做關(guān)于模態(tài)1的極坐標正交變換，并將變換 結(jié)果輸出給解M頂0單元。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，還包括:均勻圓陣列嵌套分形結(jié)構(gòu)天線1，極坐標正交變 換器組2,模態(tài)控制器3,解MMO單元4,控制器5;均勻圓陣列嵌套分形結(jié)構(gòu)天線1將接收信號 以局部均勻圓陣列分組，并將分組后的信號按序號送到極坐標正交變換器組2的相應(yīng)序號 的極坐標正交變換器輸入端，極坐標正交變換器組2輸出信號按序存貯到解MIMO單元4中； 極坐標正交變換器組2、模態(tài)控制器3與解MIMO單元4均由控制器5同步，同時極坐標正交變 換器組2也受模態(tài)控制器3控制。
【文檔編號】H01Q21/20GK105932428SQ201610207419
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】張海林, 趙林軍, 程文池, 梁芳
【申請人】西安電子科技大學(xué), 陜西理工學(xué)院