无线信号发射天线、无线信号接收天线、无线信号发射系统、无线信号发射方法和无线信号接收方法与流程

本发明涉及一种将信号形成螺旋波束并将其无线传输的无线信号发射天线、无线信号接收天线、无线信号发射系统、无线信号发射方法和无线信号接收方法。

背景技术：

当前用于无线通信的频率范围内的通信正在接近极限。为了解决这个问题，将轨道角动量(oam)添加入无线信号以使信号形成螺旋波束并发射和接收该信号的通信技术正在研究之中。形成为螺旋波束的信号具有将等相面以螺旋形式扭转的特征。通过改变螺旋波束的等相面的螺距，有可能形成无限正交模式信号。因此，通过对于无线通信使用螺旋波束，有可能在相同频率上执行多个通信，从而实现更高速度和更高容量的通信。

例如，在非专利文献1和非专利文献2中公开了使用处于添加了轨道角动量的螺旋波束的信号的通信的研究。非专利文献1公开了螺旋波束的形成，其中通过使用具有反射单元51的oam天线50将轨道角动量添加到信号上，其中在抛物面天线的一部分上作出切口，如图16所示。非专利文献2公开了实验，该实验示出：作为使用oam天线50形成螺旋波束并发射信号的结果，该信号可以在位于远距离的接收点处被接收。

引用列表

非专利文献

npl1："brwitnessesexperimentonradioorbitalangularmomentum(oam)withpotentialfordrasticimprovementinspectrumefficiency"，itu，internet(url：http://www.itu.int/en/itu-r/trends/oam/pages/default.aspx)

npl2：fabriziotamburini和其他五位，newjournalofphysics2012/3/1"encodingmanychannelsonthesamefrequencythroughradiovorticity:firstexperimentaltest"，internet(url：http://iopscience.iop.org/1367-2630/14/3/033001)

技术实现要素：

技术问题

根据非专利文献1和非专利文献2中公开的oam天线50，有可能形成螺旋波束并发射信号。对于实际的高速和高容量通信，需要对具有不同螺距的多个螺旋波束的多路复用。然而，由于oam天线50通过使用反射单元51—其中在抛物面天线的一部分形成切口—来物理地形成螺旋波束，所以不可能改变螺旋波束的螺距。因此，非专利文献1和非专利文献2中公开的oam天线具有不可能形成具有不同螺距的多个螺旋波束的问题。

本发明的一个示例性目的是提供一种无线信号发射天线、无线信号接收天线、无线信号发射系统、无线信号发射方法、和无线信号接收方法，其针对无线通信可以将信号形成螺旋波束并改变该信号的螺距，并且进一步那个同时使用具有不同螺距的多个螺旋波束以用于无线通信。

解决方案

本发明的一个示例性方面是一种无线信号发射天线，包括信号发送装置，其具有在圆周上等间隔配置的n个天线元件(其中n是满足n≥2的整数)；以及信号分配装置，用于从输入的第一信号生成彼此具有相位差的n个第二信号，并将n个第二信号分别输出到n个天线元件，使得从该信号发送装置输出具有螺旋倾斜的等相面的螺旋波束。

本发明的一个示例性方面是一种无线信号接收天线，包括信号接收装置，其具有在圆周上等间隔配置的x个天线元件(其中x是满足x≥2的整数)；以及信号合成装置，用于分别接收由信号接收装置从该n个天线元件接收的具有螺旋倾斜的等相面的螺旋波束作为x个第二信号，将相位差添加到该x个第二信号中的每一个，并且合成并输出第一信号。

本发明的一个示例性方面是一种无线信号发射方法，包括从输入的第一信号生成彼此具有相位差的n个第二信号；以及将该n个第二信号分别输出到n个天线元件，使得从具有在圆周上等间隔配置的n个天线元件(其中n是满足n≥2的整数)的信号发送装置输出具有螺旋倾斜的等相面的螺旋波束。

本发明的一个示例性方面是一种无线信号接收方法，包括分别接收由具有在圆周上等间隔配置的x个天线元件(其中x是满足x≥2的整数)的信号接收装置从该n个天线元件接收的具有螺旋倾斜的等相面的螺旋波束作为x个第二信号，向该x个第二信号中的每一个添加相位差，从其合成第一信号，并输出第一信号。

本发明的一个示例性方面是一种无线信号发射系统，包括信号发送装置，用于通过n个天线元件(其中n是满足n≥2的整数)来输出发射信号；以及信号分配装置，用于从输入的第一信号生成彼此具有相位差的n个第二信号，并将该n个第二信号分别输出到该n个天线元件，其中n个天线元件在圆周上等间隔配置。

有益效果

根据本发明的示例性方面的无线信号发射天线、无线信号接收天线、无线信号发射系统、无线信号发射方法和无线信号接收方法，有可能将信号形成螺旋波束并改变信号的螺距以用于无线通信，以及进一步同时使用具有不同螺距的多个螺旋波束以用于无线通信。

附图说明

图1是示出根据第一示例性实施例的无线发射天线的结构的视图。

图2是示出使用butler矩阵馈电电路的信号分配电路的原理的视图。

图3是示出由信号发送装置a形成螺旋波束的方式的视图。

图4是示出使用具有多个输入端口的butler矩阵馈电电路的信号分配电路的原理的视图。

图5是示出由无线发射天线形成螺旋波束的过程的流程图。

图6是示出根据第二示例性实施例的无线发射天线中包括的信号分配电路的结构的视图。

图7是示出将m个不同的第一信号输入无线发射天线的状态的视图。

图8是示出由无线发射天线形成m个不同螺旋波束的过程的流程图。

图9是示出根据第三示例性实施例的无线接收天线的结构的视图。

图10是示出由无线接收天线接收螺旋波束的过程的流程图。

图11是示出根据第四示例性实施例的无线接收天线中包括的信号合成电路的结构的视图。

图12是示出由无线接收天线接收m个不同的螺旋波束的过程的流程图。

图13是示出根据第五示例性实施例的无线发射和接收系统的结构的视图。

图14是示出根据第七示例性实施例的无线发射天线的修改的示例的视图。

图15是示出根据第八示例性实施例的无线发射天线的结构的视图。

图16是示出根据现有技术的oam天线的视图。

具体实施方式

第一示例性实施例

以下参照附图描述本发明的示例性实施例。

[第一示例性实施例]

如图1所示，无线发射天线(无线发射系统)10包括：信号发送装置a，其具有在圆周上等间隔配置的n个天线元件a1、a2、...、an(其中n是2或2以上的整数)；信号输入端口(信号输入装置)c，其用于输入第一信号s1、...、sm；以及信号分配电路(信号分配装置)b，其用于将输入的第一信号s1、...、sm以相等功率分配给n个第二信号的s2并将它们分别输出到天线元件a1、a2、...、an。通过这种结构，无线发射天线10可以通过天线元件a1、a2、...、an从输入的第一信号s1、...、sm形成并发射处于螺旋波束的发射信号。

例如，天线元件a1、...、an在直径为30cm的圆周上等间隔配置。这些多个天线元件a1、...、an构成信号发送装置a。信号发送装置a对应于反射单元51，该反射单元51是具有图16所示的切口的抛物面天线。例如，可以使用抛物面天线作为天线元件a1、...、an中的每个天线元件。信号发送装置a和信号分配电路b通过信号波导d连接。信号波导d具有n个相等长度的信号线d1、...、dn。信号线d1、...、dn连接n个信号分配电路b的信号发送端口b1、...、bn和天线元件a1、...、an。同轴电缆或波导可用作信号线d1、...、dn。

信号分配电路b将从多个信号输入端口c1、...、cm中的任一个输入的第一信号s以相等功率分配给n个第二信号g1、...、gn，并从信号发送端口b1、...、bn发送它们。可以使用例如butler矩阵馈电电路作为信号分配电路b。通常已知butler矩阵用于改变发射波束的方向。

如图2所示，根据使用butler矩阵馈电电路的信号分配电路b，当从信号输入端口c1输入第一信号s1时，以分配式的方式从信号发送端口b1、...、bn以相等功率输出n个第二信号g1、...、gn。此时，信号分配电路b将具有线性斜率θ1的相位差添加到n个第二信号g1、...、gn以从信号发送端口b1、...、bn发送。使用这样的性质形成螺旋波束h。具体而言，将具有相等长度的信号线d1、...、dn从信号发送端口b1、...、bn连接到天线元件a1、...、an(参见图1)。

此外，天线元件a1、...、an在圆周上等间隔配置。因此，当以特定的扭转方向(向右扭转或向左扭转)以指定的间隔顺序地从天线元件a1、...、...an发送第二信号g1、...、gn时，螺旋波束h从信号发送装置a形成，如图3所示。螺旋波束的扭转方向根据天线元件a1、...、an与信号线d1、...、dn之间的对应而改变。形成螺旋波束h的oam的模式含有n＝2的情况。在n＝2的情况下，扭转方向可以是向右扭转和向左扭转中的任何一个。在n＝3以上的情况下，可以确定螺旋波束h的扭转方向。

如图4所示，butler矩阵通常具有多个信号输入端口c1、...、cm(其中m是满足m≤n的正整数)，并且通过改变用于输入第一信号s1、...、sm的信号输入端口c1、...、cm，有可能改变出现在信号发送端口b1、...、bn处的线性倾斜的相位差的斜率θn。例如，输入到信号输入端口c2的第一信号s2被输出作为被添加具有线性斜率θ2的相位差的第二信号g1、...、gn。使用这样的性质，可以与信号输入端口c1、...、cm相对应地来改变螺旋波束h的螺距。因此，有可能形成从信号发送装置a输出的信号作为螺旋波束h，该螺旋波束h具有对应于信号输入端口c1、...、cm的螺距，其等相面螺旋地倾斜。

具体地，信号分配电路b从输入的第一信号s生成彼此具有相位差的n个第二信号g1、...、gn，并将该n个第二信号g1、...、gn分别输出到n个天线元件a1、...、an，使得从信号发送装置a输出螺旋形波束h，其等相面螺旋地倾斜。此时，信号分配电路b分配信号以使得具有指定相位差的第二信号g1、...、gn被输入到信号发送装置a中相邻的天线元件a1、...、an，该相位差在圆周方向上以增量步长(以相等的差)增加。尽管在以上说明中示出了使用用于信号分配电路b的butler矩阵馈电电路的示例，但是可以使用任何电路，只要它可以输出第二信号g1、...、gn，使得螺旋波束h从在圆周上等间隔配置的天线元件a1、...、an中的每个天线元件形成。此外，添加至第二信号的相位差不必处于相等的间隔(相等的差)。

下面将参照图5简要描述由无线发射天线10形成螺旋波束h的无线发射方法的过程。

在无线发射天线10中，信号分配电路b将输入到信号输入端口c1、...、cm中的任何一个的第一信号s分配成具有相等功率的n个第二信号g1、...、gn。信号分配电路b将增量相位差加到待输出的n个第二信号g1、...、gn中的每一个(s101)。信号分配电路b分别将n个第二信号g1、...、gn分配给n个天线元件a1、...、an，以使得从信号发送装置a形成等相面螺旋倾斜的螺旋波束h(s102)。

如上所述，根据无线发射天线10，从天线元件a1、...、an中的每一个输出的信号可以形成为其等相面螺旋倾斜的螺旋波束h。此外，根据无线发射天线10，当将信号形成为螺旋波束h时，螺旋波束h的螺距可以任意改变。

[第二示例性实施例]

在第一示例性实施例中，在无线发射天线10中，从天线元件a1、...、an中的每一个输出的信号被形成为具有与信号输入端口c1、...、cm相对应的螺距的螺旋形波束，其等相面为螺旋地倾斜。在该示例性实施例中，使用无线发射天线10形成具有不同螺距的多个螺旋波束以用于多路复用通信。在下面的描述中，对于与第一示例性实施例中的那些部件相同的部件使用相同的名称和符号，并且视情况省略了冗余描述。

如图6所示，无线发射天线10包括具有多个信号输入端口c1、...、cm和多个信号发送端口b1、...、bn的信号分配电路b。在该示例中示出了具有8(＝m)输入、8(＝n)输出butler矩阵馈电电路的信号分配电路b的结构。当第一信号s1、...、sm被输入到信号输入端口c1、...、cm中的任一个时，将具有不同线性斜率的相位差添加至其，并从信号发送端口b1、...、bn分别输出具有相等功率的n个第二信号g1、...、gn(见图4)。因此，从输入的第一信号s，与信号输入端口c1、...、cm相对应地形成具有不同螺距的m个螺旋波束h1、...、hm。

如图7所示，当m个不同的第一信号s1、...、sm分别输入到m个信号输入端口c1、...、cm时，具有不同线性斜率θ1、...、θn的相位差分别被添加到与信号输入端口c1、...、cm相对应的具有相等功率的n个第二信号b1、...、bn，并且从信号发送端口b1、...、bn分别输出具有相等功率的n个第二信号g1、...、gn。与信号输入端口c1、...、cm相对应的第二信号g1、...、gn以相等间隔在指定时间从天线元件a1、...、an顺序输出，具有不同螺距的m个螺旋波束h1、...、hm由此同时形成。因此，无线发射天线10可以同时多路复用并发射多个螺旋波束h1、...、hm。

下面将参照图8简要描述由无线发射天线10形成具有不同螺距的多个螺旋波束h的无线发射方法的过程。

在无线发射天线10中，信号分配电路b将输入到信号输入端口c1、...、cm中的每一个的m个不同的第一信号s1、...、sm中的每一个与信号输入端口c1、...、cm相对应地分配并输出到具有相等功率的n个第二信号g1、...、gn(s200)。信号分配电路b向n个分配的第二信号g1、...、gn中的每一个添加不同的增量相位差，并从信号发送端口b1、...、bn输出它们(s201)。信号分配电路b将第二信号g1、...、gn分别分配给n个天线元件a1、...、an，使得信号发送装置a形成m个不同的螺旋波束h，其等相位表面螺旋地倾斜(s202)。

如上所述，根据无线发射天线10，有可能同时多路复用并发射多个螺旋波束h1、...、hm。

[第三示例性实施例]

具有与无线发射天线10相同结构的天线也可以用作无线发射天线10的接收天线。

如图9所示，无线接收天线20包括：信号接收装置k，该信号接收装置k具有在圆周上等间隔配置的x个天线元件k1、...、kx(其中x是2或2以上的整数)；信号合成电路(信号合成装置)t，其用于从具有相等功率的x个第二信号p1、...、px合成第一信号q，该x个第二信号p1、...、px分别从天线元件k1、...、kx接收；以及信号输出装置r，其具有y个信号端口r1、...、ry(其中y是满足y≤x的正整数)以用于输出第一信号q。通过这种结构，无线接收天线20从信号输出端口r1、...、ry将接收到的螺旋波束h作为第一信号q输出。天线元件k1、...、kx的数目x可以大于无线发射天线10中的天线元件a1、...、an的数目n.

例如，天线元件k1、...、kx在直径为30cm的圆周上等间隔配置。这些多个天线元件k1、...、kx构成信号接收装置k。例如，可以使用抛物面天线作为天线元件k1、...、kx中的每一个。信号接收装置k和信号合成电路t通过信号波导u连接。信号波导u具有相等长度的x个信号线u1、...、ux。信号线u1、...、ux连接x个信号合成电路t的信号输入端口v1、...、vx和天线元件k1、...、kx。同轴电缆或波导可用作信号线u1、...、ux。

信号合成电路t从输入自多个信号输入端口v1、...、vx的具有相等功率的第二信号p1、...、px合成信号，并根据螺旋波束h的螺距来从信号输出端口r1、...、ry中的任一个输出所合成的信号作为第一信号q。例如，可以使用butler矩阵馈电电路作为信号合成电路t。信号合成电路t具有与无线发射天线10(参见图2)中的信号分配电路b相同的结构。因此，如果第二信号p1、...、px以相反的方式输入到信号分配电路b，则合成并输出第一信号q，其是信号合成电路t的操作。因此，无线接收天线20可以通过与无线发射天线10的操作相反的操作来输出螺旋波束h作为第一信号q。

具体地，由具有在圆周上等间隔配置的x个天线元件k1、...、kx的信号接收装置k接收的、其等相面螺旋倾斜的波束被分别从n个天线元件k1、...、kx作为x个第二信号p1、...、px输入到信号合成电路t，并且信号合成电路t将相位差添加至x个第二信号p1、...、px中的每一个，从其合成第一信号q并输出该第一信号q。然后，信号合成电路t将指定的相位差添加到从信号接收装置k中的相邻的天线元件输入的x个第二信号p1、...、px，使得相位差在圆周方向上的以减量步长降低。

尽管在以上说明中示出了使用用于信号合成电路t的butler矩阵馈电电路的示例，但是可以使用任何电路，只要它可以从在圆周上等间隔的每个天线元件k1、...、kx接收螺旋波束h，并输出第一信号q。另外，要加到第二信号p1、...、px的相位差不必相等间隔。

下面参照图10描述由无线接收天线20接收螺旋波束h的过程。

当从无线发射天线10发射螺旋波束h时，无线接收天线20从在圆周上等间隔配置的x个天线元件k1、...、kx分别顺序地接收处于特定扭转方向的第二信号p1、...、px，(s300)。由于已经向第二信号p1、...、px中的每一个添加了增量相位差，因此信号合成电路t将与增量相位差相反的减量相位差添加到第二信号p1、...、px中的每一个并从其合成(s301)。信号合成电路t从信号输出端口r1、...、ry中的任一个输出第一信号q(s302)。

如上所述，根据无线接收天线20，有可能将所接收的螺旋波束h作为第一信号q输出。

[第四示例性实施例]

在第二示例性实施例中无线接收天线20可以接收由无线发射天线10发射的具有不同螺距的y个多路复用螺旋波束h，并将它们输出为y个第一信号q。在下面的描述中，相同名称和符号用于与其它示例性实施例中那些部件相同的部件，并且视情况省略冗余描述。

如图11所示，无线接收天线20包括具有多个信号输入端口v1、...、vx和多个信号输出端口r1、...、ry的信号合成电路t。在该示例中示出了具有x＝8和y＝8的butler矩阵馈电电路的信号合成电路t的结构。信号合成电路t具有与第二实施例中的信号分配电路b相同的结构。具体地，当信号合成电路t接收到具有不同螺距的y个螺旋波束时，将具有和与信号输出端口r1、...、ry相对应的斜率相反的斜率的线性相位差分别添加到x个所接收的第二信号p1、...、px，从其合成y个第一信号q，并且通过与信号分配电路b相反的操作分别从信号输出端口r1、...、ry输出y个第一信号q.

下面将参照图12描述由无线接收天线20接收包含具有不同螺距的y个螺旋波束h的信号的过程。

当从无线发射天线10发射具有不同螺距的y个螺旋波束h时，无线接收天线20从在圆周上等间隔配置的x个天线元件k1、...、kx分别接收处于特定扭转方向的第二信号p1、...、px(s400)。由于增量相位差被添加到第二信号p1、...、px，信号合成电路t将与该增量相位差相反的减量相位差添加到第二信号p1、...、px中的每一个，并从其合成第一信号q(s401)。信号合成电路t从信号输出端口r1、...、ry输出y个第一信号q(s402)。

如上所述，根据无线接收天线20，有可能接收由无线发射天线10发射的具有不同螺距的y个多路复用螺旋波束h，并将它们作为y个第一信号q输出。

[第五示例性实施例]

通过上述无线发射天线10和无线接收天线20，有可能使用螺旋波束h来无线地发射和接收信号。

如图13所示，无线发射和接收系统100包括无线发射天线10和无线接收天线20。根据无线发射和接收系统100，有可能发射和接收包含具有不同螺距的y个多路复用的螺旋波束h的信号。

[第六示例性实施例]

如非专利文献2中所述，随着发射和接收距离变得更长，螺旋波束h的外直径像环面一样增加。另一方面，可以基于发射和接收距离来改变无线接收天线20的、配置了天线元件k1、...、kx的圆周的直径。例如，当发射和接收距离长时，无线接收天线20的圆周的直径可以被扩大。此外，为了抑制螺旋波束h的外直径的增加，可以基于发射和接收距离来改变无线发射天线10的、配置了天线元件a1、...、an的圆周的直径。例如，当发射和接收距离长时，无线发射天线10的圆周的直径可以被扩大。

[第七示例性实施例]

如图14所示，无线发射天线10的天线元件a1、...、an可以是替代抛物面天线的、阵列天线的子阵列，其形成无线发射天线40。同样地，无线接收天线20的天线元件k1、...、kx可以是阵列天线的子阵列，而不是抛物面天线(未示出)。

[第八示例性实施例]

如图15所示，无线发射天线30包括：m个其它信号输入端口z1、...、zn，其用于输入与第一信号s正交的m个不同的其它第一信号w以用于形成螺旋波束j，该螺旋波束j是由无线发射天线10发射的螺旋波束h的正交偏振波；以及另一信号分配电路e，其接收其它第一信号w并输出与第二信号g1、...、gn正交的n个其它第二信号f1、...、fn。由此，无线发射天线30可以发射具有vh偏振波的螺旋波束i。通过使用具有与无线发射天线30相同结构的无线接收天线(未示出)，有可能接收具有vh偏振波的螺旋波束i并输出m个第一信号和m个不同的其它第一信号。

应当注意，本发明不限于上述示例性实施例，并且在本发明的范围内可以以许多方式变化。例如，对于天线元件a1、...、an以及天线元件k1、...、kx，除了上述示例性实施例中描述的那些之外，例如还可以使用偶极子天线、螺旋形天线或喇叭天线。此外，对于接收端处的天线元件k1、...、kx，可以使用yagi天线。

尽管将本发明描述为以上示例性实施例中的硬件配置，但是本发明不限于此。本发明可以通过执行dsp(数字信号处理)的给定处理来实现，并且它可以通过在dsp(数字信号处理器)上执行程序来实现，或者通过在fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路)上配置的逻辑电路来实现。

程序可以使用任何类型的非暂时性计算机可读介质来存储和提供给计算机。非暂时性计算机可读介质包括任何类型的有形存储介质。非暂时性计算机可读介质的示例包括磁存储介质(诸如软盘、磁带、硬盘驱动器等)、光磁存储介质(诸如磁光盘)、cd-rom(只读存储器)、cd-r、cd-r/w、和半导体存储器(诸如掩模rom、prom(可编程rom)、eprom(可擦除prom)、闪速rom、ram(随机存取存储器)等)。程序可以使用任何类型的暂时性计算机可读介质提供给计算机。暂时性计算机可读介质的示例包括电信号、光信号、和电磁波。暂时性计算机可读介质可以经由有线通信线路——诸如电线或光纤或无线通信线路向计算机提供程序。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例。本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其在形式和细节上进行各种改变。

附图标记列表

10无线发射天线

20无线接收天线

30无线发射天线

40无线发射天线

50oam天线

51反射单元

100无线发射和接收系统

a信号发送装置

a1、...、an电线元件

b信号分配电路

b1、...、bn信号发送端口

c1、...、cm信号输入端口

d信号波导

d1、...、dn信号线

e信号分配电路

f1、...、fn其它第二信号

g1、...、gn第二信号

h螺旋波束

h1、...、hm螺旋波束

i螺旋波束

j螺旋波束

k信号接收装置

k1、...、kx天线元件

m整数

n整数

p1、...、px第二信号

q第一信号

r信号输出方式

r1、...、ry信号输出端口

s1、...、sm第一信号

t信号合成电路

w第一信号

x整数

y整数

z1、...、zn信号输入端口