基于圆阵列嵌套电磁涡旋波mimo系统收发天线布局及涡旋信号分离方法与装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了基于均匀圆阵列(UCA，Uniform Circle Array)分形嵌套涡旋电磁波MIMO系统天线阵元布局，即由半径为r0阵元数为M的UCA等间隔分布在半径为R的圆周上形成UCA分形嵌套结构，半径为r0的UCA互不重叠且任意两个半径为r0的UCA阵元间距不小于1/2载波波长；公开了涡旋电磁波MIMO信号并行分离方法，即采用本发明所述天线构成涡旋电磁MIMO系统，接收端天线阵元按半径为r0的UCA分组，并按组对阵元的响应做遍历通信双方约定的模态l极坐标正交变换，得去涡旋MIMO信号，再对其解MIMO获得系统谱效益；公开了涡旋电磁波MIMO信号分离方法的实现装置。
【专利说明】
基于圆阵列嵌套电磁涡旋波ΜI MO系统收发天线布局及涡旋信 号分离方法与装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种面向ΜΜ0的涡旋电磁波信号正交变换分离方法与装置，属于通信 信号处理技术与雷达信号处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 随5G无线通信技术的快速发展，越来越多的诸如手机终端无线通信终端、车载无 线监控终端等进了人们的日常生活，这些设备广泛使用(特别是在拥挤的城市），使得有限 的频谱资源显得更加紧张。与此同时，人们又不断追求无线通信向更高传输速率、更加可靠 以及网络化方向发展，使得本已紧俏的可用频带承载更是雪上加霜。目前，从信号调制、功 率控制、抗干扰以及多天线等技术多角度联合运用提升频带利用率已经走到了瓶颈阶段， 必须寻找新技术突破增加现有无线通信信道的容量。2011年6月24日，瑞典科学家Bo Tide 和意大利帕多瓦大学Fabrizio Tamburini等人在意大利威尼斯验证了祸旋电磁波传输信 息的能力，为人们打开了一扇无线通信技术发展的新大门。
[0003] 涡旋电磁波无线通信技术的提出并不是Bo Tide等人凭空想象的，早在Tide演示 系统出现的20余年前，物理学家就发现了涡旋光束。随科技技术的发展，2000年以后，涡旋 光束传输与应用研究成为光学领域的一个研究热点，但是涡旋概念在Bo Tide等人之前并 未引申到通信的微波波段。经典电动力学理论，涡旋电磁波是携带有轨道角动量(Orbital angular momentum，0ΑΜ)的电磁波，不同的轨道角动量的祸旋电磁波具有不同的螺旋相位 波前。利用相同频率而不同螺旋相位波前的电磁波可以同时在同一信道互不干扰传递，从 而极大地增加信道的传输容量，Tide等人的研究成果一经报道，在世界范围内迅速掀起了 涡旋电磁波数据传输的研究热潮。
[0004] 2015年以来，随研究的深入，人们对载频在微波波段及其以下的涡旋电磁波的产 生、传输特征掌握的越来越清晰，相继有文献报道了涡旋电磁波无线传输演示系统（截止 2016年3月19日，报道的涡旋电磁波无线传输演示系统的距离约500米），将涡旋电磁波与无 线ΜΙΜ0技术相结合，可同时获得涡旋波的谱效与ΜΙΜ0的谱效，极大的扩展频带的容量。目前 这方面的文献报道仅仅局限在系统增益效果的研究上，并未见涡旋电磁波在ΜΜ0系统中如 何快速实现多模态的分离方法的报道。
[0005] 在微波波段以下，有关文献报道涡旋电磁波模态识别多借鉴了涡旋光束的干涉方 法与相位梯度差检测方法。其中干涉方法在微波波段可以应用，但对于短波波段的涡旋电 磁波而言，由于信号波长相对更长，干涉图样会更大，不便于存储与对比辨识。实践（或文 献)证明：在单束涡旋光束通信中，涡旋信号的振幅、相位是不带调制信息的，否则会影响干 涉图样清晰度，因此采用干涉法识别信号的涡旋电磁波通信系统，没有最大化利用涡旋电 磁波的可用调制维度，且系统中含有多个模态（即拓扑核)涡旋波时，该分离方法的识别能 力有限。可以预见:干涉方法分离涡旋电磁波的模态在涡旋电磁波ΜΙΜ0通信系统中是不适 用的。
[0006] 相位梯度差法涡旋波模态检测分离是通过在远端涡旋波束中心轴的不同方位角 布局两个或多个接收天线(或阵子），根据这些天线(或阵子)采样样本估算涡旋电磁波的模 态信息的，显然，使用这种方法的涡旋电磁波通信系统，其涡旋信号的振幅、相位是不能携 带调制信息的，这一点与干涉方法相同。实践(或文献)也证明，由于无线涡旋电磁波空间传 播易受各种因素的影响，相位梯度差法分离多模态混合涡旋电磁波模态信息能力有限，受 采样天线布局、估算方法与量化计算等人为因素的影响，精度有限。因此，相位梯度差这类 方法在涡旋电磁波Μ頂0通信系统中也不适用的。
[0007] 也有文献报道涡旋波的模态检测采用逆向螺旋相位板法，该方法由反向的螺旋相 位板将具有特定频率特定模态涡旋电磁恢复为平面波再按照平面波接收方法实现的。在涡 旋电磁波ΜΙΜΟ通信系统中，空间具有多个模态的涡旋电磁波，且其载频有异有同，故而可 知:逆向螺旋相位板这类方法在涡旋电磁波ΜΙΜΟ通信系统中是不适用。
[0008]本发明人(组)在2016年1月31日向我国国家专利局提交的《基于空间正交变换的 涡旋电磁波信号模态并行分离方法与装置》（申请号：201610077471.1)发明专利申请材料 中，其中提出了基于空间正交变换的多模态涡旋并行分离方法是针对涡旋空间对称性提出 的，对于涡旋电磁波ΜΙΜΟ系统，每一对半径Π )的均匀圆阵列收、发天线不再满足该专利《基 于空间正交变换的涡旋电磁波信号模态并行分离方法与装置》中要求收发天线对齐且平行 的条件，因此之直接减基于空间正交变换方法使用在涡旋电磁波ΜΜ0通信系统进行模态分 离是不合适的。
[0009]目前，尚未见文献报道一种多模态分离方法适用于涡旋电磁波ΜΜ0系统，本发明 人(组)结合空间信号处理原理、分形几何理论与ΜΜ0通信技术等，从涡旋电磁波ΜΜ0通信 各种要求以及涡旋波信号收、发特点出发，首先提出了适用于电磁磁涡旋波ΜΙΜΟ系统的圆 阵列分形嵌套收、发天线(阵子)布局结构，并从该天线的几何结构出发，结合最优阵列信号 处理理论，对涡旋波Μπω系统的接收信号进行建模，在此基础上，又提出了模态1极坐标正 交变换方法实现电磁涡旋波ΜΙΜΟ系统多模态分离方法，该方法可有效利用涡旋电磁波ΜΙΜΟ 系统所有可用调制维度，最大化发挥涡旋电磁波增益与ΜΜ0增益，为涡旋电磁波ΜΜ0系统 的研究与发展提供技术智力支持。
【发明内容】
[0010]本发明旨在解决涡旋电磁波Μπω系统多模态(拓扑核)涡旋电磁波的分离问题，最 大化发挥涡旋电磁波的信道增益与Μ頂0信道增益。
[0011] 下面的【具体实施方式】中描述了本发明的进一步特征和方面。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明所述均匀圆阵列嵌套(分形)结构的电磁涡旋波ΜΙΜ0系统收、发天线 (阵子)布局结构示意图。
[0013] 图2为采用本发明所述mMO系统收、发天线进行电磁涡旋波mMO信号分离前，涡旋 信号接发建模分析示意图。
[0014] 图3为本发明所述电磁涡旋波ΜΜ0系统多模态分离实现结构示意图，图3中，1.两 层均匀圆阵列嵌套分形结构的电磁涡旋波Μπω系统收、发天线，2.模态1极坐标正交变换器 组，3.模态控制器，4.解Μ頂0单元，5.控制器。
【具体实施方式】
[0015]本发明所述为一种面向电磁涡旋波MMO系统收、发天线布局结构的实现原理，并 论述了在该原理指导下实现的两层均匀圆阵列分形嵌套涡旋电磁波MM0天线作为收、发天 线时，接收端完成多模态Μπω涡旋信号分离方法以及该分离方法的实现装置。
[0016]无线通信系统中，以均勾圆阵列天线作为祸旋电磁波收/发（见"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，以引用的方式将其公开在此)是可行的，结合涡旋 电磁波空间结构以及非涡旋ΜΜ0的基本原理，本发明人(组)提出了均匀圆阵列嵌套分形结 构涡旋电磁波ΜΜ0天线阵子布局结构，如图1所示，它是由N个半径为r〇、阵元数为Μ的均匀 圆阵列天线（阵元间隔d(d<A Q/2，AQ为载频波长)按间隔D(D>>AQ/2)均匀分布半径为R(R >>r〇)的圆周上构成的圆阵列嵌套而成，且半径为R的圆周上的任意两个或多个半径为r〇 的均匀圆阵列天线之间的不同阵子间距均不小于λ〇/2。
[0017] 面向均匀圆阵列两层嵌套阵子布局的电磁涡旋波ΜΜ0系统接收端涡旋信号的分 离方法是:利用均匀圆阵列嵌套天线1接收空间涡旋电磁波ΜΙΜ0信号，根据涡旋电磁波ΜΙΜ0 天线阵子布局结构，可知处于半径为ro阵元数为Μ的一对收、发均匀圆阵列天线内的不同阵 元对所对应的信道特性具有强相关特性（即近似一致性），因此处于收、发嵌套天线上的一 对半径为ro的均匀圆阵列天线，其不同的收、发阵元间对应的信道特性是相同的，本发明人 (组)给出了接收信号的建模方法及其建模示意如图2所示。
[0018] 同时本发明公开了基于均匀圆阵列嵌套涡旋电磁波ΜΙΜ0信号分离方法的实现装 置，如图3所示。图3中，均匀圆阵列嵌套(分形)结构天线1的Ν个均匀圆阵列将采集到的空间 ΜΠΚ)信号通过射频总缆并行输出给模态1极坐标正交变换器组2,模态1极坐标正交变换器 组2在模态控制器3控制下，对输入信号做极坐标正交变换器（即去模态分离），并将分离后 的非涡旋ΜΙΜ0信号给解ΜΙΜ0单元4;其中模态1极坐标正交变换器组2、模态控制器3与解 ΜΙΜ0单元4同时收控制器5同步。
[0019] 下面将描述极坐标正交变换的涡旋电磁波ΜΜ0信号模态分离方法的详细执行过 程。通信双方采用本发明所述如图1所示圆阵列嵌套(分形)结构天线（阵子)作为涡旋电磁 波ΜΙΜ0系统的收、发天线，处在半径为ro的圆周上的阵子按所在半径为ro的均勾圆阵列天线 收、发祸方定电石兹波（见 "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 方式将其公开在此），以发送天线的几何中心为坐标原点〇建立坐标系(称为〇系），将接收天 线所在平面向发送天线所在平面投影并平移，使得二者重合(这一过程，可归为ΜΜ0系统的 信道函数），如图2所示，图2中各个半径为的均匀圆阵列天线建立自己的坐标系（分别称 为ο η(η = 0，1，···，N-1)系），依照图2所示的οη(η = 0，1，···，N-1)系的坐标轴均于〇系坐标轴平 行，在上述条件下，涡旋电磁波ΜΜ0接收天线第η个半径为Π )的接收圆阵列的中心〇n的多模 态涡旋波基带信号的复包络按式(1)进行，
[0020]
[0021]式（1)中1为涡旋电磁波的模态(或拓扑核），涡旋电磁波不同模态携带的信息幅度 为、,/⑴、信息相位为約⑴，「·?为上取整运算符，l·」为下取整运算符，，⑴为mm〇发送天 线中第nt个半径为r〇的均勾圆阵列天线的中心到ΜΙΜΟ接收天线第n r个半径为r〇的均勾圆阵 列天线的中心的信道函数，Θ为以οη(η = 0，1，…，N-1)坐标系为参考的涡旋波方位角，見,,"为 在投影重叠面上，发送天线的％坐标系原点(η = 0，1，···，Ν-1)与接收天线的〇η坐标系原的 点连线在&坐标系下的方位角；
[0022] 按照电磁涡旋波ΜΜ0天线（阵子)布局结构，涡旋电磁波ΜΜ0接收天线第η个半径 为Π )的接收圆阵列天线的阵子收到的多模态涡旋波基带信号的复包络可按式(2)进行，
[0023]
[0024] 式(2)中
：对式(2)的％(14)进行关于涡旋电磁波模态 1的极坐标正交变换，可按式(3)进行，
[0025]
[0026] 由式(3)可从接收天线中第η个半径为ro的均匀圆阵列天线分离出关于模态m的独 立调制信号，m遍历通信双方约定的模态1的取值，η遍历接收天线数N，可以得到ΜΜ0系统中 每个发送天线上所有模态涡旋电磁波经独立信道传输后的去涡旋信号，对其按照普通平面 波ΜΜ0信号进行均衡解调，可以获得ΜΙΜΟ系统发送源不同模态下的独立调制信息，预期实 现系统的频谱效益改善值最大为Ν X Μ，其中Ν是普通(或经典)ΜΙΜΟ系统的复用效益，Μ是模 态复用效益。
[0027] 对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，做各种相应改变 和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1. 面向电磁涡旋波MMO系统收、发天线（阵子)布局结构，其特征在于，电磁涡旋波MMO 系统收、发天线（阵子)布局结构具有均匀圆阵列天线嵌套结构，该结构由N个半径为ro、阵 元数为M的均匀圆阵列天线(阵元间隔d(,λ〇为载频波长）以间隔D()均匀在半 径R(R>>rQ)的圆周上排列而成，且满足相邻半径为ro的均匀圆阵列天线之间的阵子间距 同样不小于λ〇/2。2. 面向电磁涡旋波MMO系统的电磁涡旋信号分离方法，其特征在于，该方法利用均匀 圆阵列嵌套涡旋电磁波MIMO系统收发天线结构特点，可知处于半径为阵元数为M的一对 收、发均匀圆阵列天线内的不同阵元对所对应的信道特性具有强相关特性（即近似一致 性），接收端对半径为Π )的一个均匀圆阵列天线的所有阵元的输出做关于模态1极坐标正交 变换，得出一个关于模态1的解涡旋的MMO信号，遍历通信约定的模态1取值与半径为r〇的 独立接收圆阵列天线，可实现多模态涡旋电磁波MMO信号的分离；同时本发明公开了基于 均匀圆阵列嵌套涡旋电磁波MMO信号分离方法的实现装置。 所述电磁涡旋波MIMO信号多模态分离方法包括如下步骤： (a) 通信双方采用本发明所述的圆阵列嵌套结构天线作为收/发天线，处在半径为r〇的 圆周上的阵子按所在半径为r〇的均勾圆阵列天线收/发祸旋电磁波（见"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,以引用的方式将其公开在此），以发送天线的几何 中心为坐标原点〇建立坐标系(称为〇系），并在各个半径为r〇的均匀圆阵列天线建立自己的 坐标系(分别称为〇 η(η = 0，1，···，Ν-1)系），且οη(η = 0，1，···，Ν-1)系的坐标轴分别于〇系坐标 轴平行，于此同时，将接收天线所在平面向发送天线所在平面投影，二者重合，在上述条件 下，涡旋电磁波MMO接收天线第η个半径为Π )的接收圆阵列的中心〇"的多模态涡旋波基带信 号的复包络可按式（1)进行，式（1)中1为涡旋电磁波的模态（或拓扑核），涡旋电磁波不同模态携带的信息幅度为 么，;(〇、信息相位为MO，「·?为上取整运算符，|_·」为下取整运算符Λ?, W为μ頂〇发送天线 中第m个半径为r〇的均勾圆阵列天线的中心到MIMO接收天线第nr个半径为r〇的均勾圆阵列 天线的中心的信道函数，Θ为以ο η(η = 0，1，···，N-1)坐标系为参考的涡旋波方位角，&a为在 投影重叠面上，发送天线的&坐标系原点(η = 0，1，···，Ν-1)与接收天线的〇n坐标系原的点 连线在\坐标系下的方位角； (b) 按照权利要求1电磁涡旋波MBTO天线（阵子)布局结构，涡旋电磁波MMO接收天线第 η个半径为r〇的接收圆阵列天线的阵子收到的多模态涡旋波基带信号的复包络可按式(2) 进行，(C)对式(2)的&(14)进行关于涡旋电磁波模态1的极坐标正交变换，可按式(3)进行，由式(3)可从接收天线中第η个半径为r〇的均勾圆阵列天线分离出关于模态m的独立调 制信号，m遍历通信双方约定的模态1的取值，η遍历接收天线数N，可以得到MMO系统中每个 发送天线上所有模态涡旋电磁波经独立信道传输后的去涡旋信号，对其按照普通平面波 MHTO信号均衡解调，可以预期实现系统的频谱效益改善值最大为ΝΧΜ，其中N是普通(或经 典)ΜΠΚ)系统的复用效益，M是模态复用效益。3. 用于面向电磁涡旋波MMO系统的电磁涡旋信号分离装置，其特征在于：涡旋电磁波 MHTO系统的收、发天线具有均匀圆阵列嵌套分形结构；均匀圆阵列嵌套接收天线的每一个 局部独立均匀圆阵列天线的所有阵子响应输出到对应的极坐标正交变换器，由对应极坐标 正交变换器在模态控制器的控制下对输入信号做关于模态1的极坐标正交变换，并将变换 结果输出给解M頂0单元。4. 根据权利要求3所述的系统，还包括:均匀圆阵列嵌套分形结构天线1，极坐标正交变 换器组2,模态控制器3,解MMO单元4,控制器5;均匀圆阵列嵌套分形结构天线1将接收信号 以局部均匀圆阵列分组，并将分组后的信号按序号送到极坐标正交变换器组2的相应序号 的极坐标正交变换器输入端，极坐标正交变换器组2输出信号按序存贮到解MIMO单元4中； 极坐标正交变换器组2、模态控制器3与解MIMO单元4均由控制器5同步，同时极坐标正交变 换器组2也受模态控制器3控制。
【文档编号】H01Q21/20GK105932428SQ201610207419
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】张海林, 赵林军, 程文池, 梁芳
【申请人】西安电子科技大学, 陕西理工学院