[发明专利]一种面向涡旋电磁波的均匀圆环天线阵校准方法

说明书

本发明实现了面向涡旋电磁波的均匀圆环天线阵校准方法，针对实际需求可以选择集中式数据处理场景和分布式应用场景，根据相应的场景执行相应的校准方法即可完成对UCA阵列各个天线单元的收发链路相位偏移进行补偿校准，可显著提高OAM各个模态之间的正交性，解决因UCA中天线单元相位偏移引起OAM模态正交性恶化问题，能够极大提升OAM复用通信性能，并且计算简单，软硬件开销小。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种面向涡旋电磁波的均匀圆环天线阵校准方法。

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。众所周知，电磁波携带自旋角动量(SAM)，SAM与光子旋转相关，表现为电磁波的左旋或右旋圆极化，仅有两个正交状态。1992年Allen等[1][2]首次试验证实了具有相位因子的拉盖尔-高斯(LG,Laguerre-Gaussian)涡旋光束可以携带轨道角动量，OAM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，不同拓扑荷的OAM模态彼此正交。因此，拥有无穷多个正交模态的涡旋电磁波，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，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。

B.Thidé等人在2007年用实验证明UCA(均匀圆环阵，如图2所示)阵元馈以等幅等相差的的激励信号可以生成指定模式的OAM电磁波[3]。自此，研究人员在基于UCA的OAM通信方面开展了大量的研究。在UCA的结构方面，Guo Chong等人提出了一种由贴片天线组成的UCA结构[4]。文献[5]比较了切向阵列、径向阵列和UCA的特点。在基于UCA的OAM通信性能方面，文献[6]分析了OAM通信系统的信道容量；文献[7]研究了多径效应对OAM通信的影响；Chen等人分析了OAM在钥匙孔信道中的通信性能[8]；文献[9]分析了OAM在衰落信道中的分集效应；文献[10]系统地研究了未对准收发器对OAM通信性能的影响。在OAM通信的架构设计方面，文献[11-14]中研究了OAM调制结合OFDM调制方法，并提出了一些优化算法来提升系统性能。

当UCA阵元可独立激励时，基于UCA的OAM生成方法本质上是相控天线阵的一个特例。相控天线阵一般来说是独立射频链路控制的天线阵，每个天线端口输入的信号和能量是由系统信号源经过一定路径到达天线端口的，各个路径元器件的加工误差、参数变化、量化误差是馈电误差的来源，他们导致阵列天线实际激励信号不可控。也就是说，系统给出的激励信号和天线端口上的实际激励信号并不一致，存在误差。因此需要设计校准方法对误差进行补偿校准。误差补偿校准的第一步是要测量出实际的激励信号，之后再基于实际的激励信号和目标激励信号的误差进行补偿。因此相控天线阵的校准核心内容就是天线阵实际激励信号的测量。

在相控天线阵校准方面目前已经有大量的研究，其中有一大类是基于旋转矢量法的校准。1982年，日本学者S.Mano提出了旋转矢量方法，这种方法通过测量阵列辐射场的幅度来测量每个天线单元的相对幅度和相位[15]。具体地，保持其他天线单元激励信号不变，将每个天线激励信号遍历0到360度变化，此时和信号的幅度会呈现正弦变化。测量正弦和信号的最大值、最小值、和取最大值时的相位，基于此便可以计算出当前天线单元对于和信号的相对幅度和相位，最后根据实际测得的各个信号的幅度和相位进行调整即完成了天线阵校准的过程。2001年，美国学者R.Sorace改进了旋转矢量法，使得只需要测量0、90、180、270四个相位即可以测出天线阵的相对幅相[16]。2008年，日本学者T.Takahashi对旋转矢量法进行了扩展，将单通道测量改成了多通道测量[17]。此后，也有众多学者对旋转矢量法进行改进，使得测量速度更快，精度更高。