[發明專利]一種通過均勻面陣發射多模復用信號的天線選擇方法

有效

• 申請號: 202111101244.5
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN113630158B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 劉程翔;周斌;琚誠;趙宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所;國網天津市電力公司
• 主分類號: H04B7/0408
• 分類號: H04B7/0408;H04B7/06
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 楊怡清

本發明涉及一種通過均勻面陣發射多模復用信號的天線選擇方法，包括：選擇基礎面陣；確定中心陣元以及可生成的UCA的最大半徑；計算基礎面陣中任一陣元到中心陣元的距離，結合可生成的UCA的最大半徑，確定基礎面陣可生成的UCA的半徑序列；確定對應不同UCA半徑的陣元集合序列；給定OAM渦旋電磁波束的最大發散角度，計算基礎面陣可發射的OAM模式，以及可發射的OAM模式所需的最小UCA半徑；從對應不同UCA半徑的陣元集合序列中提取出可發射的OAM模式所需的陣元集合，并計算出每一陣元所需的激勵相位。本發明可以在均勻面陣上產生不同半徑UCA，使得在應用中可以實現波束的靈活調整。本發明可以降低開發成本，加快項目開發速度。

技術領域

本發明涉及無線通信系統，更具體地涉及一種通過均勻面陣發射多模復用信號的天線選擇方法，適用于微波與毫米波段上的基于軌道角動量(OAM)的多模復用通信系統。

背景技術

復用指的是在一個信道上傳輸多路信號或數據流的過程和技術，目前常用的復用技術有頻分復用、時分復用、空分復用等。多模復用技術則是指利用電磁波傳輸模式的正交性實現多路信號的復用。具體來說，天線輻射的電磁波具有波粒二象性，并可以像運動的粒子一樣攜帶OAM。因而每個光子可以攜帶(表示約化普朗克常數，l稱為拓撲荷，且l取整數)的OAM，不同的拓撲荷對應不同的OAM模式，且不同OAM模式之間彼此正交，利用OAM模式的正交性即可實現多模復用傳輸。并且，電磁波的OAM與其相位空間分布有關，當電磁波等相位面呈螺旋狀時，電磁波也被稱為OAM渦旋電磁波。

目前發射OAM渦旋電磁波主要采用均勻圓陣列(UCA，由在圓上等間隔排布的天線單元組成的天線陣列)。UCA發射模式為l的OAM渦旋電磁波時，UCA相鄰天線單元的相位差需要滿足其中M為UCA天線單元個數。圖1為M＝8、l＝1的UCA示意圖，圖中數字表示天線激勵相位。通過改變相鄰天線的激勵相位差，該UCA即可發射不同模式的OAM渦旋電磁波。

然而，UCA作為發射OAM渦旋電磁波的專用硬件，定制成本高，使得利用UCA發射OAM多模復用信號的成本昂貴、系統開發周期長。另外，利用UCA產生OAM渦旋電磁波時，渦旋電磁波的波束發散角度與UCA半徑、OAM渦旋電磁波模式數以及發射信號頻率有關：

2πr/f1.02l+1.874

式中，β表示波束發散角度，l表示發射OAM渦旋電磁波模式數的絕對值，f表示信號頻率，r表示UCA的半徑。

從上式可以看出，波束發散角度與OAM渦旋電磁波模式數成正比，與發射信號頻率、UCA半徑成反比。也就是說，UCA半徑越小，產生的OAM渦旋電磁波的波束發散角度越大。但UCA制造完成后其半徑就固定不變，OAM渦旋電磁波的波束發散角度也確定下來，導致波束調整不靈活。并且，OAM波束發散角度與OAM傳輸距離相關，波束發散角度越大則傳輸距離越小。因而，OAM渦旋電磁波固定的波束發散角度意味著固定且無法改變的傳輸距離，即接收天線只能在一個距離范圍內對OAM渦旋電磁波進行接收。這些問題極大程度限制了OAM通信系統的廣泛應用，需要開發出一種低成本、周期短、能夠靈活調整波束的技術。

現有技術中具有生產制造技術成熟、配套器件齊全、生產制造成本低的均勻面陣，包括矩形柵格陣列、六邊形柵格陣列、三角形柵格陣列。圖2(a)-圖2(c)給出了這三種均勻面陣的示意圖，其中，矩形柵格陣列將平面分成若干個矩形柵格，每個天線占據一個柵格的交點；六角形柵格陣列將平面分成若干個正六角形柵格，每個陣元占據一個柵格的交點；三角形柵格陣列將平面分成若干個正三角形柵格，每個陣元占據一個柵格的交點。這三種陣列在在軍用、民用、科研等領域有廣泛的應用，若利用這三種天線陣列來發射OAM渦旋電磁波并實現多模復用，可以大大縮短開發周期、降低開發成本。然而，使用現有技術無法在上述均勻面陣上發射OAM渦旋電磁波，更無法實現波束的靈活調整。

發明內容