[發(fā)明專利]基于線圈圓陣列的渦旋電磁波近場無線通信方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011052227.2
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112202476B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程文馳;呂潤宇;秦凡;張海林
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H04B5/00
• 分類號: H04B5/00
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 程曉霞;王品華

1.一種基于線圈圓陣列的渦旋電磁波近場無線通信方法，該通信方法對應(yīng)的通信系統(tǒng)包括一個波長之內(nèi)的近距離放置的發(fā)射端和接收端，其中發(fā)射端包括有單位逆離散傅里葉變換IDFT模塊和發(fā)射線圈圓陣列，接收端包括有接收線圈圓陣列和單位離散傅里葉變換DFT模塊，輸入信號通過IDFT模塊進(jìn)入發(fā)射端，接收端輸出信號通過DFT模塊輸出，其特征在于，包括以下步驟：

(1)定義發(fā)射和接收線圈圓陣列：發(fā)射線圈圓陣列為一個半徑為R_t的圓環(huán)狀線圈陣列，半徑為R_t的圓環(huán)狀線圈陣列包括有N_t個法線相互平行的發(fā)射線圈，這些線圈的幾何中心等間距排列在發(fā)射線圈圓陣列上；接收線圈圓陣列為一個半徑為R_r的圓環(huán)狀線圈陣列，半徑為R_r的圓環(huán)狀線圈陣列包括有N_r個法線相互平行的接收線圈，這些線圈的幾何中心等間距排列在接收線圈圓陣列上；

(2)建立坐標(biāo)系、確定各線圈編號和坐標(biāo)位置：建立表述線圈相對幾何位置關(guān)系的坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系中標(biāo)注出發(fā)射和接收線圈的位置坐標(biāo)與編號；

2a)建立用于標(biāo)注各個線圈位置的三維正交坐標(biāo)系；

2b)按照順時針或逆時針順序，對發(fā)射線圈和接收線圈分別進(jìn)行編號；

2c)根據(jù)接收線圈軸線偏離發(fā)射線圈軸線的偏轉(zhuǎn)角θ_x和θ_y，以及發(fā)射和接收線圈編號，確定接收線圈圓陣列中各個線圈所在坐標(biāo)；

其中，建立坐標(biāo)系、確定各線圈編號和坐標(biāo)位置，具體包括：

2.1)以發(fā)射線圈圓陣列的圓心到任意一個發(fā)射線圈中心連線方向為x軸，以發(fā)射線圈圓陣列的軸線方向為z軸，按照右手螺旋法則確定y軸，建立三維空間直角坐標(biāo)系；

2.2)所述編號方法為：按照順時針或者逆時針順序，對發(fā)射線圈和接收線圈分別進(jìn)行編號，其中，發(fā)射線圈編號為：0≤n≤N_t-1，接收線圈編號為：0≤m≤N_r-1；

2.3)得到的各個線圈的坐標(biāo)，

2.31)其中，編號為n的發(fā)射線圈的三維笛卡爾坐標(biāo)(x'_n,y'_n,z'_n)為：

2.32a)當(dāng)θ_x＝θ_y＝0，編號為m的接收線圈的三維笛卡爾坐標(biāo)(x_m,y_m,z_m)為：

2.32b)對于其他θ_x和θ_y，編號為m的接收線圈的三維笛卡爾坐標(biāo)(x_m,y_m,z_m)為：

在坐標(biāo)系中標(biāo)注出發(fā)射和接收線圈的位置坐標(biāo)與編號；式中，(d_x,d_y,d_z)為接收線圈圓心坐標(biāo)位置，接收線圈軸線沿著x軸和y軸方向偏離發(fā)射線圈軸線的偏轉(zhuǎn)角θ_x和θ_y，表示兩個線圈軸線夾角；

(3)計算收發(fā)線圈之間的互感矩陣M和發(fā)射線圈之間的互感矩陣M_s：由所得的發(fā)射和接收線圈圓陣列中的各發(fā)射線圈和接收線圈的位置坐標(biāo)及編號，計算得到收發(fā)線圈之間和發(fā)射線圈之間的互感矩陣；

3a)由接收線圈位置坐標(biāo)，計算得到收發(fā)線圈之間的互感矩陣如下：

其中，表示編號為n_t的發(fā)射線圈和編號為n_r的接收線圈之間的互感，0≤n_t≤N_t-1，0≤n_r≤N_r-1.當(dāng)d_x＝d_y＝0且θ_x＝θ_y＝0時，M為循環(huán)矩陣；

3b)依據(jù)發(fā)射線圈位置坐標(biāo)，計算得到發(fā)射線圈之間的互感矩陣如下：

其中，表示編號為n₂的發(fā)射線圈和編號為n₁的發(fā)射線圈 之間的互感，0≤n₁,n₂≤N_t-1，M_s為循環(huán)矩陣；

(4)計算渦旋電磁波近場通信OAM-NFC的信道矩陣：根據(jù)發(fā)射和接收線圈陣列中的收發(fā)線圈之間的互感矩陣M、發(fā)射線圈之間的互感矩陣M_s以及互感電動勢和發(fā)射線圈激勵間的關(guān)系，計算得到OAM-NFC信道矩陣H；

(5)確定發(fā)射端OAM-NFC線圈激勵：將發(fā)射端的輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦靼l(fā)射線圈上的激勵，設(shè)輸入的需要傳輸?shù)男盘柋硎緸榱邢蛄縿t每個發(fā)射線圈的激勵電壓v_t為：

v_t＝Wx_t

其中W為單位IDFT矩陣；

(6)對渦旋電磁波近場通信OAM-NFC信號進(jìn)行接收和分離：由發(fā)射激勵感應(yīng)得到的接收電動勢，得到近場渦旋電磁波的分離信號，即恢復(fù)的輸入信號；

由發(fā)射激勵感應(yīng)得到接收電動勢，接收端接收線圈圓陣列上接收線圈互感電動勢為v_r＝HWx_t+n，其中n表示接收線圈上的加性噪聲；當(dāng)發(fā)射線圈總數(shù)等于接收線圈總數(shù)時，即N_r＝N_t，d_x＝d_y＝0且θ_x＝θ_y＝0時，接收線圈的互感電動勢與輸入信號存在如下關(guān)系：

其中W^H為單位DFT矩陣，向量h為矩陣H的第一列；因此分離信號即恢復(fù)的輸入信號與接收互感電動勢存在如下關(guān)系：

其中，為列向量形式的分離信號，即恢復(fù)信號，diag(W^Hh)⁺為diag(W^Hh)的廣義逆矩陣；

(7)對渦旋電磁波近場通信OAM-NFC分離信號進(jìn)行判決：對分離信號進(jìn)行離散判決，得到離散化表達(dá)的接收端處理后的輸出信號x_r：

其中，為所有可能的發(fā)射信號組成的向量集合；由輸入信號x_t經(jīng)過所述通信方法對應(yīng)的通信系統(tǒng)得到輸出信號x_r的過程，實現(xiàn)了渦旋電磁波近場通信過程。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于線圈圓陣列的渦旋電磁波近場無線通信方法，其特征在于：

步驟(3)中所述的計算收發(fā)線圈之間的互感矩陣M和發(fā)射線圈之間的互感矩陣M_s，具體過程如下：

N_t個發(fā)射線圈均為半徑為r_t的圓形線圈，匝數(shù)為K_t；所述的N_r個接收線圈均為半徑為r_r的圓形線圈，匝數(shù)為K_r；互感矩陣M中各個元素和M_s中非對角線元素的計算方法均如下：

其中M_2,1表示編號為1的線圈和編號為2的線圈之間的互感，對于M，編號1對應(yīng)于發(fā)射線圈的編號，編號2對應(yīng)于接收線圈的坐標(biāo)；對于M_s，編號1和編號2分別對應(yīng)兩個發(fā)射線圈的編號；μ₀是真空磁導(dǎo)率，r₁和r₂分別為編號為1的線圈和編號為2的線圈的半徑，d表示編號為2的線圈圓心到編號為1的線圈軸線之間的距離，D表示編號為2的線圈圓心到編號為1的線圈圓面的垂直距離，參數(shù)φ為表征編號為2的線圈上任一點坐標(biāo)的方位角，0≤φ≤2π；互感計算公式中其他中間變量由下列公式得出：

上述V，k，K(k)，E(k)，ψ(k)參數(shù)均由r₁，r₂，θ，d，D，φ確定，是互感公式表述中的中間變量；M_s中對角線元素均為0。