[发明专利]一种射频涡旋波前优化装置及方法

说明书

本发明涉及一种射频涡旋波前优化装置及方法，其中，所述优化装置包括：一发射端模块以及一接收端模块，其中，所述发射端模块包括：N个分别连接在所述数字域轨道角动量多模态复用模块与2N个DAC模块之间的第一加权单元，以及一与所述N个第一加权单元连接的发射端权值计算单元；所述接收端模块包括：N个分别连接在所述2N个ADC模块与数字域轨道角动量解调及解复用模块之间的第二加权单元，以及一与所述N个第二加权单元连接的接收端权值计算单元。本发明实现了对射频涡旋电磁波的波前相位优化，显著提高了OAM各个模态之间的正交性，极大的提升OAM模态复用数目以及通信频谱效率。

技术领域

本发明涉及无线通信中的携轨道角动量涡旋电磁波产生、复用、调制、波前优化等技术，尤其涉及一种适用于微波与毫米波频段上的轨道角动量复用通信系统的射频涡旋波前优化装置及方法。

背景技术

根据量子力学和麦克斯韦理论，天线辐射的电磁波具有波粒二象性，可以像运动粒子一样携带线动量与角动量。电磁波角动量包括自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)两部分，其中，SAM与光子旋转相关，表现为电磁波的左旋或右旋圆极化，仅有(表示约化普朗克常量)两个正交状态；OAM则与光子波函数空间分布相关，是所有“涡旋电磁波”的基本属性，表现为波束具有螺旋状等相位面并且沿螺旋线传播(如图1所示)。涡旋电磁波中每个光子携带的轨道角动量，拓扑荷l取值为任意整数，不同拓扑荷l的OAM模式彼此正交。因此，拥有无穷多个正交模式的涡旋电磁波，理论上可以承载无穷多路信息同时同频的复用传输，从而提供了一种独立于时间、频率与极化之外的信息复用新自由度，进而有望成倍提升无线通信系统的网络容量、频谱效率、抗干扰与抗截获能力。

自1992年Allen等人首次试验证实了具有相位因子的拉盖尔-高斯(LG，Laguerre-Gaussian)涡旋光束可携带轨道角动量，针对OAM的研究已深入至射电天文、原子操纵、关联成像、量子通信、光学与光子学等诸多领域。近年来，研究发现涡旋电磁波的无穷多个OAM正交模式，与光子能量、频率和极化属性一样，是信息复用的独立自由度。深入挖掘OAM这一尚未充分利用的电磁波参数维度，将会大幅提高无线通信频谱效率，满足未来2-3个数量级的容量增长需求。

轨道角动量复用通信理论上超高的频谱效率，使其成为解决未来通信网络频谱资源稀缺与千倍容量增长需求间矛盾的最有潜力的关键技术之一；同时，轨道角动量模态间的正交性，允许通信信号和干扰噪声在不同的OAM本征模态之间随机传输，对增强军事通信的抗干扰与抗截获能力以及提高制电磁权非常有利。目前该技术已成功应用于自由空间光通信、光纤通信、可见光通信、毫米波与太赫兹通信等诸多前沿领域。

然而，在无线通信系统最常使用的微波射频频段，该课题尚处于理论探索与概念验证阶段，主要技术瓶颈之一即：复杂传输环境中模态正交性恶化问题。具体而言：微波通信的传输环境相对复杂，无线信道质量不稳定；涡旋电磁波的传输不仅受到传输介质的影响(如大气湍流)，还会有电波绕射、遮蔽与多径等小尺度衰落的干扰。因而，波前的螺旋相位更易出现畸变，导致OAM模态正交性的恶化，频谱效率难以大幅提升；同时，各个模态之间形成的串扰，将严重影响军事场景中的通信干扰一体化传输，造成信息隐藏与抗截获能力的大幅下降。

涡旋电磁波在实际传输过程中出现的各种空间相位畸变，是导致OAM模态正交性恶化乃至频谱效率下降的主要因素。当前“模态正交性增强与波前相位纠正”的现有技术与研究成果主要来源于自由空间光通信领域。具体来说：