[发明专利]一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法

说明书

本发明公开了一种单天线接收就可检测轨道角动量模态的涡旋波调制信号设计与接收方法。发射端将产生涡旋波的均匀圆环阵的天线分成奇偶两组，每组用差分编码的数字调制信号和特定的相移序列激励，产生复合的涡旋波数字调制信号。接收端采用单天线就可以解调数字通信信号，估计奇偶涡旋波束的相位差，检测涡旋波携带轨道角动量的模态。本发明可用于微型化接收机的涡旋波数字通信、导航测向和雷达探测等应用中，为数字信息涡旋波传输、导频信号设计和涡旋波参数估计等过程提供新的解决方案。

技术领域

本发明涉及携带轨道角动量的涡旋电磁波应用领域，具体涉及涡旋波束的调制信号设计与接收技术。

背景技术

涡旋波能携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)信息，不同模态OAM的涡旋电磁波间具有正交性，将数字信息调制到不同的模态的涡旋波中，可以实现复用传输，提高了通信容量，这些特性在现在频谱资源越来越稀缺的时代，倍受关注。此外，涡旋波的轨道角动量含有方位信息，在雷达探测、导航测向等方面也有潜在的应用可能。在涡旋电磁波应用研究中，涡旋波如何激励发射问题已经有了许多解决方案，而接收信号处理的研究还不充分，接收提取有用信息的关键一步是对轨道角动量的模态进行检测。

涡旋波的OAM模态检测方法主要有双接收天线相位梯度、多接收天线相位梯度和OAM模态的偏轴检测等方法。这些方法接收机需要多天线，还需要阵列与波束轴对准，限制了微小接收机的涡旋波应用场景。本发明提出一种单天线的轨道角动量检测方法，接收端采用单天线检测轨道角动量模态，无需检测偏轴和波束轴对准，特别适用于微小型接收机的涡旋波应用系统。

发明内容

发明目的：本发明提出一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法，其目的在于对产生携带OAM涡旋波束的均匀环形天线阵的奇偶两组天线阵分组激励，由相邻阵元的方位角和螺旋相位差的关系得到奇偶两组天线阵的相位差，将奇偶两路信号的相位差调制到信号中，接收端只需单天线解调出相位差，从而实现单接收天线的OAM模态检测。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

(1)将能产生涡旋波的均匀圆环阵中2M元天线分成奇偶两组，奇数组阵元天线用s₁(n，t)＝c₁₁(n)cosωt+c₁₂(n)sinωt和相移序列分别激励，偶数组阵元天线用s₂(n，t)＝c₂₁(n)cosωt+c₂₂(n)sinωt和相移序列分别激励，ω为发射信号载波角频率，c_ij(n)∈[-1，0，1]为编码矩阵中的元素，i，j＝1，2，γ_2m-1和γ_2m为均匀圆环阵中中阵元天线所在的方位角，则远区接收信号为

其中，l为涡旋波OAM的模态，m表示第m个阵元，k＝2π/λ，λ为波长，r为UCA半径，ρ为阵元天线在远场的衰减幅度，δ为仰角，γ为接收端的方位角，a_I(n)，a_Q(n)为等效基带信号，得到等效复基带信号a(n)。

其中，为UCA产生不同OAM模态时，奇偶阵元间的相位差且相邻的奇偶阵元相位差保持不变。由等效复基带信号a得到一个由天线方向图组成矩阵K。

第n帧上的两路基带信号可表示为

A(n)＝[a_I(1，n)a_Q(1，n)a_I(2，n)a_Q(2，n)]^T (4)

发送四进制的数字信息zn∈{0，1，2，3}，设计差分编码的调制矩阵P(n)，差分迭代关系为