[發(fā)明專利]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

有效

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• 申請日: 2016-03-30
• 公開（公告）號: CN105932428B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張海林;趙林軍;程文馳;梁芳
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué);陜西理工大學(xué)
• 主分類號: H01Q21/20
• 分類號: H01Q21/20;H04B7/04;G01S7/03
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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(biāo)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。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種面向MIMO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(dá)信號處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨5G無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的諸如手機(jī)終端無線通信終端、車載無線監(jiān)控終端等進(jìn)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(yùn)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渦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。

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(diǎn)，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(Orbitalangular momentum，OAM)的電磁波，不同的軌道角動量的渦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?/p>

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(xiàn)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MIMO技術(shù)相結(jié)合，可同時獲得渦旋波的譜效與MIMO的譜效，極大的擴(kuò)展頻帶的容量。目前這方面的文獻(xiàn)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MIMO系統(tǒng)中如何快速實現(xiàn)多模態(tài)的分離方法的報道。

在微波波段以下，有關(guān)文獻(xiàn)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(xiàn))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?fù)浜?渦旋波時，該分離方法的識別能力有限。可以預(yù)見：干涉方法分離渦旋電磁波的模態(tài)在渦旋電磁波MIMO通信系統(tǒng)中是不適用的。

相位梯度差法渦旋波模態(tài)檢測分離是通過在遠(yuǎn)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(diǎn)與干涉方法相同。實踐(或文獻(xiàn))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MIMO通信系統(tǒng)中也不適用的。