圆阵列旋转分形嵌套高阶涡旋电磁波生成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)旋转分形嵌套高阶涡旋电磁波天线阵元布局结构，即由阵元数为M的UCAn(n＝0，1，…，N?1)依次同向旋转后等间隔分布在半径为r2的圆周上形成的UCAn互不相交旋转嵌套结构，且相邻UCAn的阵元间距最小值不大于λ/2；公开了高阶涡旋电磁波信号生成方法是将UCAn的独立多模态信号调制到以UCAn为阵元的UCA生成某一模态涡旋波上；公开了高阶涡旋电磁波信号分离方法是依据本发明所述天线阵元布局结构，对来自各UCAn相同序号阵元响应进行N点空间正交变换，解调出UCAn独立涡旋信号，再对UCAn独立涡旋信号做M点空间正交变换分离出调制信息；公开了UCA旋转分形嵌套高阶涡旋电磁波信号生成方法实现装置与接收分离方法的实现装置。
【专利说明】
圆阵列旋转分形嵌套高阶满旋电磁波生成分离方法与装置
技术领域
[0001] 本发明设及一种高阶满旋电磁波生成与接收分离方法与装置，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] 对于通信科技工作者来说，在带宽不增的前提下寻找新方法提升系统的信道容量 是一个永恒的主题。目前，常规无线通信系统的信道容量提升技术已经相当成熟，为此人们 就将目光转移到了非传统电磁波领域，W求寻找到技术突破。按照经典电动力学理论，同频 不同模态的满旋电磁波可W同时共享信道，2011年Bo Thid6和意大利同事小组在威尼斯泻 湖上展示了满旋电磁波与平面电磁波同时同频独立信息传输的实验，验证了满旋电磁波提 升无线系统信道容量的能力，为人们进一步提升现有各种通信系统的信道容量提供了一条 新途径。
[0003] 为了满旋电波技术应用到射频无线电频段，科学家进行了不懈努力，在该领域目 前文献报道的主要研究成果有:2010年S.M.Mohammadi和Bo Thid自等人提出了基于圆环阵 列天线的满旋电磁波生成方法，2011年F.Tamburini等人通过实验验证了具有8阶旋转梯状 反射面面天线产生满旋电磁波方法，2012年Alan Tennant等人仿真验证了使用TSA(Time Switched Array)圆环阵列在多个频率上同时产生独立模态满旋电磁波的方法，2013年 Qiang Bai与TennantA等人仿真了8阵元相控微带均匀圆阵列满旋电磁波生成方法，2014年 Qiang Bai等人对8阵元相控微带均匀圆阵列天线产生满旋电磁波的实验验证，2014年 Palacin B等人研究了SXSButler矩阵在8阵元均匀圆阵列天线中应用，并同时在相同载频 上产生8个独立模态的满旋电磁波，2015年Wei Wen-long等人针对4阵元相控微带均匀圆阵 列满旋电磁天线完成了载频2.5GHz圆环移相器设计，2015年华中科技大学桂良启等仿真了 开槽圆阵列天线满旋电磁波的方法。
[0004] 据现文献报道:通信系统中满旋电磁波的可用模态数量越多，系统的增容效果较 愈加明显，与之相应则要求系统收/发天线的物理尺寸越大，不利于通信系统移动与维护， 为此研究较小物理尺寸天线产生高阶满旋电磁波技术具有理论意义与现实意义，目前在无 线通信领域关于高阶多模态满旋电磁波的产生与接收分离方法尚报道的极少。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在解决射频频段的高阶满旋电磁波生成与接收分离问题。
[0006] 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】
[0007] 图1为本发明所述圆阵列旋转分形嵌套高阶满旋电磁波信号生成与分离方法总体 概况图。
[000引图2为本发明所述均匀圆阵列旋转分形嵌套结构高阶满旋电磁波收/发天线阵元 布局结构示意图。
[0009] 图3为本发明所述高阶满旋电磁波天线阵元激励加载方法与对应阵元激励产生方 法示意图，图3中，1为圆阵列旋转分形嵌套高阶满旋电磁波发天线，2为NXM相移器组，3为Μ X Ν相移器组，4为参数控制器组。
[0010] 图4为本发明所述高阶满旋电磁波接收与高阶满旋电磁波多模态分离方法示意 图，图4中，5为圆阵列旋转分形嵌套高阶满旋电磁波接收天线，6为模态控制器，7-1为饰莫态 分离器组，7-2为Μ模态分离器组。
【具体实施方式】
[0011] 本发明所述为一种面向均匀圆阵列（UCA，Unifo;rm Circle Array)旋转分形嵌套 高阶满旋电磁波收、发天线布局结构，并论述了采用UCA旋转分形嵌套高阶满旋电磁波天线 实现高阶多模态满旋电磁波的产生与接收分离方法及其实现装置。
[0012] 无线通信系统中，UCA收发多模态满旋电磁波是可行的（均匀圆阵列天线收发满旋 电磁波见"B.Thid自，H.Then,J.Sj6hohn，et al，"Utlilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain，，，Phys.民ev. Lett.，vol.99， 打〇.8，口.087701，六雌.22,2007，^引用的方式将其公开在此），本发明人(组)结合1]〔六阵元布 局结构与分形嵌套理论，提出了 UCA旋转分形嵌套的高阶满旋电磁波天线阵元布局结构，如 图2所示。
[OOK]在图帥，本发明所述天线的是由半径为ri、阵元间距(1《λ/2(λ为载波波长）、阵元 数为Μ的均匀圆阵列（UCA，Uniform Circle Array)天线的Ν个副本依次同向旋转
后等间隔分布在半径为Γ2圆周上形成的两两互不相交的UCA嵌 套结构，且半径为η圆周上相邻的两个半径为ri的UCA的不同阵元间距最小值不大于λ/2,高 阶满旋电磁波收、发天线结构具有UCA旋转分形嵌套特点。
[0014] 面向均匀圆阵列旋转分形嵌套高阶满旋电磁波接收端多模态高阶满旋信号的生 成方法是:利用UCA旋转分形嵌套天线产生高阶满旋电磁波信号，根据UCA旋转分形嵌套天 线阵元布局结构，可知半径为ri阵元数为Μ的UCA可自生成Μ个不同模态满旋信号，将半径为 ri阵元数为Μ的UCA作为一个阵元，则半径为η的UCA又可生成Ν个不同模态满旋信号，将半 径为ri的UCA生成的多模态满旋电磁波调制到半径为Γ2的UCA生成的多模态满旋信号的一个 模态上，即可产生本发明所述的高阶满旋信号。
[0015] 面向U C A旋转分形嵌套高阶满旋电磁波接收端多模态高阶满旋信号的分离方法 是:利用UCA旋转分形嵌套天线接收空间高阶满旋电磁波信号，根据UCA旋转分形嵌套高阶 满旋电磁波天线阵元布局结构，首先在半径η上的N个半径为ri阵元数为Μ的UCA中依次取相 同阵元序号的响应，并对所取响应做Ν点空间正交变换，可分离出对应阵元的降阶满旋电磁 波信息，并按照其与Ν个半径为ri阵元数为Μ的UCA的对应阵元关系进行分组，之后再按组对 降阶满旋电磁波信息分别做Μ点空间正交变换，可分离出高阶满旋电磁波上携带的调制信 息。
[0016] 本发明同时公开了如图3所示基于UCA旋转分形嵌套天线生成高阶满旋电磁波信 号方法的实现装置与如图4所示高阶满旋电磁波信号分离方法的实现装置，图3中，高阶满 旋电磁波UCA旋转分形嵌套结构天线1阵元所需的激励在参数控制器组4的协同下由NXM相 移器组2与MXN相移器组3产生，图4中高阶满旋电磁波携带的调制信息的提取是在模态控 制器6协同下由N模态分离器组7-1与Μ模态分离器组7-2共同完成对高阶满旋电磁波UCA旋 转分形嵌套结构天线5阵元响应分离。
[0017] 下面将描述高阶满旋电磁波信号生成与分离方法的详细执行过程。
[0018] 通信双方采用本发明所述如图2所示UCA旋转分形嵌套高阶满旋电磁波天线，不妨 将该天线中半径为ri的UCA记为UCAn(n = 0，1，…，Ν-1)，W天线的几何中屯、建立参考系，贝U UCAn(n = 0，l，'''，N-l)在半径为Γ2圆周上，且依次旋转
；n = 0,1，…，N-1)，则UCAn(n =0，1，···，N-1)的0号阵元位于半径为ri+n的圆周上，UCAn(n = 0，l，···，N-1)的1号阵元也是 同圆的，W此类推，UCAn(n = 0，l，'''，N-l)的M-1号阵元是同圆的。
[0019] 高阶满旋电磁波多模态信号生成方法是各UCAn生成Μ个模态满旋信号，WUCAn(n = 〇，1，···，Ν-1)为阵元的UCA又生成N个模态满旋信号，将UCAn(n = 0，l，-'，N-l)生成的多模态 满旋信号分别调制到WUCAn(n = 0，l，-，，N-l)为阵元UCA生成多模态满旋信号的一个模态 上即可实现本发明所述高阶满旋信号。
[0020] 所述高阶满旋电磁波信号生成方法包括如下步骤：
[0021] (a似本发明所述天线的几何中屯、建立参考系，记为X0Y，WUCAn(n = 0，l，…，N-l) 各自圆屯、建立参考系记为Χ〇Υη(η = 0，1，…，N-1)，且ΧΟΥη是X0Y的平移旋转（旋转角为
η = 0，1，…，Ν-1)，如图3所示，在参考系Χ0Υ下，UCAn生成的高阶多模态满旋电磁 波（UCA生成多模态满旋电磁波的方法见"B . Thid自，H. Then, J.Sj6holm，et al， ('Utlilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain，，'陆ys ·Rev丄ett ·，vol ·99，no ·8，p·087701，Aug· 22,2007，'，W 引用的方式将其公开 在此)信号为：
[0022]
…
[002；3] 式（1)中女'4的化=0，1，…，N-l，p = 0，l，…，M-l)为UCAn的p模态满旋信号加载到 了 WUCAn为阵元的UCA的k模态满旋信号时产生的二阶满旋电磁波携带的调制信息，P为UCAn (n = 0，l，···，N-l)生成的满旋电磁波模态(UCAn的阵元数目为M，故p = 0，l，···，M-l)，k为W UCAn(n = 0，l，-'，N-l)为阵元构成UCA生成的满旋电磁波模态，α为WUCAn(n = 0，l，…，N-1) 为阵元的UCA生成的满旋电磁波沿传播方向的方位角，β为UCAn(η = 0，1，…，N-1)生成的满 旋电磁波沿传播方向的方位角，（化+Ρ) )Ν为k+p关于Ν取模；
[0024] (b)高阶满旋电磁波UCA旋转分形嵌套天线中阵元UCA；；> (η = 0，1，…，N-1，m = 0， 1，···，Μ-1)对应的激励为，
[0025]
(3)
[0026] 图3中W乂">(〇作为阵元UCA户= …，Ν-1，πι=0，1，···，Μ-1)的激励即可生成 本发明所述高阶满旋电磁波信号，采用本发明所述天线可生成的满旋电磁波是二阶的，其 产生的信号模态最大值为醒。
[0027] 高阶满旋电磁波多模态信号分离方法是通信双方采用本发明所述天线且均工作 在高阶满旋电磁波收发状态，同时收发天线平行对齐，如图4所示在接收天线阵元所在平 面，W天线的几何中屯、建立参考系记为χογ/，WUCAn(n = 0,1，···，N-1)各自圆屯、建立独立参 考系分别记为ΧΟΥη' (n = 0,1，…，N-1)，且ΧΟΥη'是X0Y'的平移且旋转
η = 0,1，…， Ν-1)，各阵元响应为记仰（i =0，1，…，Μ-1，η = 0，1，…，Ν-1)，对巧。>(〇，另"的，...，方"1灼规 行Ν点空间正交分离(见本发明人(组）申请的国家发明专利"基于空间正交变换的满旋电磁 波信号模态并行分离方法与装置"（申请号：201610077471.1 )，W引用的方式将其公开在 此）得排>化马。>的，…，端1的}，同理对说>脚并>脚…，规1(0}进行Ν点空间正交分离得 掛>的，皆似…，现的}，依次类推，直到完刷;η化束ΓΛ0，..·，诚Γ"的WN点空间正交 分离得巧"-。说马"-。的，…，苟叮。的}，再沛皆似皆>灼，...aW-。的赃行Μ点空间正交分离可 获得UCAn的Μ个模态满旋波信号携带的调制信息，遍历η = 0, 1，…，Ν-1，可从 {《《的，巧>(〇，···，皆""的}中分离出高阶满旋电磁波携带的所有调制信息。
[0028] 所述高阶满旋电磁波信号分离方法包括如下步骤：
[0029] (a)接收信号记为y(t)，有，
[0030]
(4)
[0031] 式(4)中 k = 0，l，...，N-l，p = 0，l，…，M-l，H为信道函数；
[0032] (b)接收天线阵元UCAlm\n = 0，l，…，Ν-1，πι = 0，1，···，Μ-1)接收的高阶满旋电磁 信号为，
[0033]
(5)
[0034] 式（5)中，n = 0，l，...，N-l，m = 0，l，...，M-l;
[0035] (C)对巧的，另《0脚…，巧《_)1的}进行饰莫态分离，有，
[0036]
(6)
[0037] 式（6)中 m = 0，l，...，M-l，k = 0，l，...，N-l;
[003引（d闲拽，脚(0,...，皆(0魄行Μ模态分离，有，
[0039]
(7)
[0040] 式(7)中 p = 0，l，···，M-l，省(?)从UCAn(n = 0，l，···，N-l)的p模态满旋信号上获取的 信息(含有振幅与相位），遍历η = 0，1，…，Ν-1，即可获得本发明所述高阶满旋电磁波承载的 所有调制信息。
[0041] 对于本领域的技术人员来说，可W根据W上的技术方案和构思，做各种相应改变 和变形，而所有的运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. 面向高阶涡旋电磁波天线结构，其特征在于，高阶涡旋电磁波收、发天线由半径为n、 阵元间距(Κλ/2(λ为载波波长）、阵元数为Μ的均勾圆阵列(UCA，Uniform Circle Array)天 线的N个副本依次同向旋转后等间隔分布在半径为^的圆周上 形成的两两互不相交的UCA旋转嵌套结构，且半径为r2的圆周上相邻的两个半径为rj^UCA 不同阵元间距最小值不大于λ/2,高阶涡旋电磁波收、发天线结构具有UCA旋转分形嵌套几 何结构。2. 根据权利要求1所述高阶涡旋电磁波收、发天线UCA旋转分形嵌套结构，不失一般性， 按逆时针方向标记半径为r2圆周上的各半径为rj^UCA为UCA n(n = 0，l，…，Ν-1)，同时UCAn 的阵元也按逆时针方向标记为UCA^°(m = 0,1，…，M-1)，于是给定m，则有UCA^°(n = 0， 1，…，N-1)共圆，且UCA("°)(n = 0,1，…，N-1)共圆半径为ri+r2。3. 面向高阶涡旋电磁波信号产生方法，其特征在于，利用UCA旋转分形嵌套天线阵元布 局特点，各1〇"可分别产生Μ个不同模态涡旋电磁波信号，同时以1〇"(11 = 0，1，~，^1)为阵 元的UCA又可以生成Ν个不同模态涡旋电磁波信号，于是可将各1^^"产生多模态涡旋波信号 分别调制到以UCA n(n = 0，1，…，Ν-1)为阵元的UCA生成的多模态涡旋波信号的一个模态上， 即可产生本发明所述的高阶多模态涡旋电磁波信号；同时本发明公开了基于UCA旋转分形 嵌套高阶涡旋电磁波信号生成方法的实现装置。 所述高阶涡旋电磁波信号多模态生成方法包括如下步骤： (a) 以本发明所述天线的几何中心建立参考系，记为XOY，以UCAn(η = 0，1，…，N-1)各自 圆心建立参考系记为Χ0Υη(η = 0,1，…，Ν-1)，且XOYr^XOY的平移旋转(旋转角为η = 0，1，…，Ν-1)，在参考系Χ0Υ下，1^^"生成的高阶多模态涡旋电磁波(UCA生成多模态涡旋 电磁波的方法见 "B.Thid6，H.Then，J.Sj8holm，etal，"Utlilizationofphotonorbital angular momentum in the low-frequency radio domain，'，Phys·Rev·Lett·，vol·99， no. 8，p. 087701，Aug. 22，2007"，以引用的方式将其公开在此)信号为：式⑴中^^(〇仏=0，1，"_』-1，？ = 0，1，"_，1-1)为1^11的？模态涡旋信号加载到了以 UCAn*阵元的UCA的k模态涡旋信号时产生的高阶涡旋电磁波携带的调制信息，p为UCAn(n = 〇，1，···，Ν-1)生成的涡旋电磁波模态(UCAn的阵元数目为M，故p = 0，l，~，M-l)，l^WUCAn(n = 〇，1，···，Ν-1)为阵元构成UCA生成的涡旋电磁波模态，α为以UCAn(n = 0，l，~，N-l)为阵元 的UCA生成的涡旋电磁波沿传播方向的方位角，β为UCAn(η = 0，1，…，N-1)生成的涡旋电磁 波沿传播方向的方位角，（（k+p) )ν为k+p关于Ν取模； (b) 高阶祸旋电磁波UCA旋转分形嵌套天线中阵元UCA，(n = 0,1，…，N-1，m=0,1，…， M-1)对应的激励为，式⑶中方切作为阵元UCAim)(n = 0，l，…，^1，!11=0，1，"|1)的激励即可生成本发 明所述高阶涡旋电磁波信号，采用本发明所述天线可生成的涡旋电磁波是二阶的，其产生 的信号模态最大值为NM。4.面向高阶涡旋电磁波信号分离方法，其特征在于，通信双方采用本发明所述天线，且 工作在高阶涡旋电磁波收发状态，同时收发天线平行对齐，在接收天线阵元所在平面，以天 线的几何中心建立参考系记为XOY'，以UCA n(n = 0，l，~，N-l)各自圆心建立独立参考系分 别记为XOYr/ (η = 0，1，…，N-1)，且XOY/ 是XOY'的平移且旋转(η = 0，1，…，N-1)， 接收天线各阵元响应为宂)(0(i = 〇，1，…，Μ-1，η = 0，1，…，Ν-1)，对戊°)〇),对。)(〇,…，对分)} 进行Ν点空间正交分离(见本发明人(组）申请的国家发明专利"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"（申请号:201610077471.1 )，以引用的方式将其公开在 此），得戚矿^，…，^⑴}，同理对说〗)⑷,对)(〇,.",观1(〇}进行~点空间正交分离，得 正交分离，得保势…Υο,·.·,從广(〇}，再对试°)(4之1)的,.",^^1)(〇}进行岐空间正交 分离可获得UCAj^M个模态涡旋波信号携带的调制信息，遍历η = 0，1，···，Ν-1，可从 中分离出高阶涡旋电磁波信号携带的所有调制信息。 所述高阶涡旋电磁波信号分离方法包括如下步骤： (a) 接收信号记为穴〇,有，式(4)中k = 0,1，…，N-1，p = 0,1，…，M-1，H为本发明所述高阶祸旋电磁波信号空间传 输信道函数； (b) 接收天线阵元UCA〖m)(n = 0，l，…，N-1，m = 0,1，···，M-1)接收的高阶祸旋电磁信号 为，式(5)中，n = 0，l，···，N_1，m=0,1，…，M_1; (c) 对{if〉⑴①,…,3?? (m进行N模态分离，有，式(7)中ρ = 0，1，…，Μ-1，七(〇从UCAn(n = 0，l，"、N-l)的ρ模态涡旋信号上获取的信息 (含有振幅与相位），遍历所有UCAn，即可获得本发明所述高阶涡旋电磁波承载的所有调制 信息。5. 用于面向高阶涡旋电磁波信号生成方法的实现装置，其特征在于：高阶涡旋电磁波 信号生成采用UCA旋转分形嵌套结构天线；调制信息通过多路并行相位旋转生成天线阵元 所需激励，并按照对应关系将激励加载到UCA旋转分形嵌套天线的对应阵元上。6. 用于面向高阶涡旋电磁波信号分离方法的实现装置，其特征在于：高阶涡旋电磁波 信号接收端采用UCA旋转分形嵌套结构天线；阵元{UCAf, UCAim)，…，UCA?}(m = 〇， 1，…，M-1)做N模态分离，得UCA巧的降阶多模态信号，对降阶多模态信号按照所属UCAn(n = 〇，1，···，Ν-1)关系进行分组，并对分组后的信号按组分别做Μ模态分离，得到高阶涡旋电 磁波信号携带的调制信息。7. 根据权利要求4所述的系统，还包括:高阶涡旋电磁波UCA旋转分形嵌套结构天线1，Ν X Μ相移器组2，Μ X Ν相移器组3，参数控制器组4; Ν X Μ相移器2按模态控制器3的控制对输入 信号移相，并将移相后信号分组输出给ΜΧΝ相移器组3,再由ΜΧΝ相移器组3对输入信号移 相，并将相移结果提供给UCA旋转分形嵌套结构天线1的对应阵元作为其激励，UCA旋转分形 嵌套结构天线1即可产生本发明所述高阶涡旋电磁波信号，ΝΧΜ相移器组2与ΜΧΝ相移器组 3在参数控制器组4的协同下。8. 根据权利要求5所述的系统，还包括:高阶涡旋电磁波UCA旋转分形嵌套结构天线5， 模态控制器6，Ν模态分离器组7-1，Μ模态分离器组7-2;均匀圆阵列嵌套分形结构天线5接收 空间高阶涡旋电磁波信号，并将其阵元的响应并行提供给Ν模态分离器组7-1，Ν模态分离器 组7-1对输入信号进行Ν模态分离并将分离后信号按一定顺序输出给Μ模态分离器组7-2, Μ 模态分离器组7-2对输入信号进行Μ模态分离并将分离后信号输出，Ν模态分离器组7-1与Μ 模态分离器组7-2器7-2在模态控制器6协同下工作。
【文档编号】H04B10/90GK106059675SQ201610365223
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】赵林军, 张海林, 梁芳
【申请人】陕西理工学院, 西安电子科技大学