[发明专利]轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及方法

说明书

本发明公开一种轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及通信方法，系统包括编码调制模块、任意波形发生模块、发射端射频链路模块、发射天线模块、复合角汇聚透镜模块、接收天线模块、接收端射频链路模块、数据解调输出模块。编码调制模块使比特与星座点建立映射；任意波形发生模块生成加载数据信息的OAM载波；发射端射频链路模块对OAM射频发射信号进行放大滤波；发射天线模块将OAM射频发射信号辐射传输。复合角汇聚透镜模块通过螺旋相位板对OAM射频发射信号进行相位调整，通过嵌套的汇聚透镜将平面波束汇聚到不同焦点上，从而分离各路OAM信道。本发明降低接收天线阵列的成本，减少各路OAM信道间的串扰，改善误码性能。

技术领域

本发明涉及无线电磁波通信技术领域，特别涉及轴向汇聚接收的轨道角动量电磁波复用通信系统及方法。

背景技术

电磁波轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是电磁波固有属性，也是区别于传统的电磁波电场强度之外的另外一个重要物理量。具有OAM的电磁波又被称为“涡旋电磁波”，相位面与传播方向不垂直，呈现螺旋状分布。通常采用的常规平面波相位面与传播方向垂直，因此不具有OAM。具有OAM的电磁波与常规平面电磁波有着显著的不同，它让人们能够从一个新的维度去开发电磁波，在应用电磁波进行信息传输和目标探测领域都具有重大的价值。

多输入多输出(MIMO)传输形式的多路复用是现代无线通信系统物理层的一个重要实现方式，近年来，研究人员开始探索使用轨道角动量(OAM)的基于MIMO的替代复用方案，即模态分割复用(Modes Division Multiplexing，MDM)。根据电动力学的理论，OAM是电磁波的一种固有的物理属性，统计态OAM与电磁波的场空间分布有关，可以用来产生重叠但正交的涡旋波束，可以用于实现多组发射数据同时同频通信的目的，从而大大提高通信系统的频谱效率。OAM是一种相对较新的无线通信模态，越来越受到潜在的短程视距(LOS)应用的关注，例如高带宽蜂窝回程通信和数据中心内计算机集群之间的互连，这在移动通信和导航探测领域都可能具有重要意义。

为了生成带有OAM的电磁波束，2010年Mohammadi等人提出了均匀圆形阵列(UCA)的方式，天线单元在圆环上均匀分布，并且每个单元馈相的相位差为2πl/N，其中N是UCA中的天线单元数，l是产生的OAM模态数。接下来的研究更加突出了OAM-MDM系统的诱人优势，采用更加多样化的收发器设计，在理想条件下可以完全消除不同模态信道间干扰(InterChannel interference，ICI)。更具体地说，不同OAM模态之间的复用和解复用过程可以通过无源射频设备的移相网络来实现，因此，OAM-MDM方案避免了传统MIMO系统额外的后处理开销。换句话说，虽然传统的MIMO系统依靠复杂的数字信号处理来实现空间复用/解复用，但OAM方案能够提供更简单的硬件系统实现方案。

虽然OAM的模态复用避免了传统MIMO系统在抑制ICI方面的信号处理复杂度，而且由于OAM是电磁波固有的物理维度，不同模态之间具有天然的隔离特性，因此理论上能够有效避免ICI的产生。然而，在实际系统中实现不同OAM模态解复用的，传统的UCA天线阵列需要连接大规模的移项网络，这通常是在射频段采用T/R组件来完成的，而射频T/R组件造价昂贵，极大地提高了OAM-MDM通信系统的硬件实现成本，限制了其在实际应用场景中的推广使用。从另一方面来说，携带OAM的电磁波束具有倒锥状的波束形状，能量主要分布在圆环状的主波束内，而随着传输距离的增加，由于波束发散角的存在，能量也逐渐发散，这对于OAM-MDM通信系统的实现带来的极大地困难。2012年，F，Tamburini等人第一次实现了442m长距离OAM点对点传输实验，证明OAM具有长距离复用传输提高通信系统频谱效率的潜力。2016年12月，清华大学航空宇航电子系统实验室完成了27.5公里长距离传输实验，2018年，该课题组进一步将机载传输距离扩展到了172公里，并最终实现了四路四模态OAM复用传输。但是在以上研究中，OAM电磁波的能量发散问题依然存在，这导致只能在部分相位面上对不同模态进行解复用操作，此时在部分相位面上OAM模态已经不再正交，这就带来了串扰问题，从而限制了OAM-MDM系统的传输速率。