[发明专利]一种涡旋波束轨道角动量模式的偏轴检测方法

说明书

本发明公开了一种涡旋波束轨道角动量模式的偏轴检测方法。针对检测阵列相对于涡旋波束轴存在横向偏移时涡旋波束轨道角动量(OAM)模式的检测问题，本发明提出一种基于均匀环形阵列(UCA)的OAM模式偏轴检测方法，UCA由N个天线阵元组成，当涡旋波束轴与UCA所在平面垂直并落入该UCA中的N个天线阵元构成的正N边形区域内时，对UCA中每两个相邻天线为一组采用传统两天线相位梯度法分别计算OAM模式并得到N个模式检测值，再对N个检测值取平均，即可得到该涡旋波束的OAM模式值。本发明提出的方法与传统两天线相位梯度法相比，不需要检测阵列与波束轴完全对齐，同时具有更低的误模式率，这对无线OAM通信系统的实用化具有重要意义。

技术领域

本发明涉及无线轨道角动量通信领域，具体涉及一种基于均匀环形天线阵列的涡旋波束轨道角动量模式的偏轴检测方法。

背景技术

无线通信技术的飞速发展，为现代社会高效快速的信息交换提供了极大的方便。为了使多个不同的广播站在无线电信号不交叠的情况下能够同时发送信号，人们将无线电频谱总的可用频段划分为多个互不重叠的频率子带，从而大大提高了通信容量。然而，移动设备使用量的快速增长、新型业务的不断涌现使得即使采用了诸如多端口、信道复用等提高通信容量的技术，仍然不可避免地导致了有限频谱资源的频谱拥塞问题。因此，研究高频谱效率的新型无线通信技术显得愈发重要。

迄今为止，无线电通信中的通信服务都是基于对电磁辐射，即电磁场的线动量，进行各种形式的相位、频率和幅度调制来实现的。然而，现在已经知道经典电磁场不仅能够携带线动量，同时也能够携带角动量，显然，在通信系统中仅利用线动量进行信息传输并没有充分利用电磁场所具有的物理特性。研究表明，利用在当前无线通信系统中尚未被应用的电磁轨道角动量(OAM)，可以进一步提高通信系统的容量。OAM作为电磁场的基本物理量，在为人们所熟知的近二十年来已被广泛应用于光学频段中，包括原子、分子的微观操纵，光学成像等。而在射频段中，直到近几年才有学者对如何利用OAM进行无线通信从而提高信道的信息传输容量进行研究。OAM之所以在光频段比在射频段得到更为广泛、成熟的应用，是因为在光频段中，通过使用各种廉价的光学仪器即可完成对光束OAM的相关处理，包括携带OAM的光束的生成、传输和接收以及相应的信息提取。而在射频域中并不是这样简单，光学中对光束的很多处理方法在低频域已不再适用，因此探讨在射频段OAM的相关处理方法对无线OAM通信技术的实用化具有重要意义。

在射频段，携带OAM的波束又被称为涡旋波束。研究表明，涡旋波束携带的不同OAM本征模式间具有正交性，且在每一个OAM模式上均可以传输独立的信息流，因此，考虑将涡旋波束的这一特性应用于无线通信领域，有两种直观的方法：一种方法是利用不同OAM本征模式间的正交性，将不同OAM模式的涡旋波束作为多路信号复用的载波；另一种方法是，直接将消息信号编码为不同的OAM模式，接收端检测出波束携带的OAM模式后，根据预先设定好的编码规则就可以恢复出发送的消息信号。前者需要接收端具有OAM解复用的能力，从而能够恢复出在每一个OAM模式上传输的独立信号流；而后者则类似于传统无线通信中幅度调制、相位调制等技术，由于消息信号被编码调制为不同的OAM模式，因此需要接收端能够对涡旋波束携带的OAM模式进行实时检测，这就对OAM模式的检测方法提出了要求。

针对涡旋波束OAM模式的检测问题，一种广为人知的OAM模式检测方法被称为相位梯度法，该方法只需用两个天线在接收端进行场相位检测并进行相位梯度运算即可得到OAM模式值。随后又有学者在此基础上提出多天线相位梯度法，目的在于提高OAM模式检测的准确度，降低误模式率(MER)。然而，无论是两个天线还是多个天线，传统的基于相位梯度的OAM模式检测方法都需要检测天线阵列中心与波束轴完全对齐，如果检测阵列相对于波束轴存在横向偏移，则OAM模式检测的准确性将急剧下降甚至无法检测，这就严重制约了无线OAM通信的应用场景。因此，研究如何在检测阵列相对于波束轴存在横向偏移时仍然能够正确地检测出涡旋波束的OAM模式对于射频OAM的实用化具有重要意义。

发明内容