[发明专利]一种UCA收发阵列及其排布与通信方法

说明书

本发明提供一种UCA收发阵列，其发射UCA和接收UCA的每个天线阵元均以指向平行于UCA所在平面的初始方向为旋转起点、以该天线阵元所在的垂直于UCA所在平面的方向为旋转轴，根据该天线阵元相对于其对应的UCA的中心轴线的方位角进行逆时针旋转来得到其实际的排布方向；所述发射UCA的所有天线阵元的初始方向为共同的第一方向，接收UCA的所有天线阵元的初始方向为共同的第二方向。本发明还提供相应的UCA收发阵列的排布与通信方法。本发明的UCA收发阵列采用UCARAA作为OAM通信的收发天线阵列，以提高OAM通信性能，并且采用圆极化阵元构成，且其排布与通信方法结合相位补偿方法，进一步实现高性能OAM通信。

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种UCA收发阵列及其排布与通信方法。

背景技术

1992年，Allen通过实验证明电磁波(EM)携带OAM，且OAM具有无穷多个正交模态，可用于复用通信^[1]。传统无线通信只有时间、频率两个自由度，而OAM在此之上提供了模态自由度，可以极大提升无线通信容量。OAM复用示意图如图1所示。

自此，研究人员不断提出了各种OAM生成方法。在光学或毫米波频段，研究人员提出了模态转换器如螺旋相位板^[2]生成指定模态的OAM电磁波。在射频频段，定制天线如抛物面天线^[3]，环形谐振器^[4]可以生成OAM。近年来，超表面由于可以灵活地改变电磁波的相位和幅度^[5]，也被提出用于OAM生成。此类OAM生成方法一般结构固定，只能生成固定模态的OAM，无法实现OAM多模复用，限制了OAM复用通信的应用。

2007年，B.Thidé等人提出用等幅、等相位差信号给UCA馈电可以产生特定模态的OAM^[6]。由于UCA的多个天线阵元可以独立馈电，因此可以方便地进行多模叠加，均匀圆形阵列(UCA)是当前射频波段主流的轨道角动量(OAM)生成方法。

此后，研究人员对基于UCA的OAM通信进行了大量的研究。在UCA结构研究方面，文献^[7]比较了切向阵列、径向阵列和UCA的通信性能；Y.M等人提出了顺序旋转UCA，并将其用于全双工通信应用^[8]。文献^[9]分析了UCA半径、天线阵元个数等对OAM通信的影响。在基于UCA的OAM通信性能研究方面，Chen.R等人提出了适用于非对准UCA的OAM波束操控方法^[10]；B.Tang等人分析了衰落信道中基于UCA的OAM通信分集性能^[11]；文献^[12]提出了OAM通信信道畸变纠正方法。在基于UCA的OAM通信架构方面，文献^[13]将OAM调制与正交频分复用(OFDM)结合以提升性能；日本NTT提出了采用多圈UCA提高OAM通信性能的方法^[14]。文献^[15]提出了时间开关UCA收发阵列，用于降低OAM生成的硬件开销。在OAM应用方面，L.Liang等人提出了将OAM模态跳变应用于无线通信抗干扰的方法^[16]；文献^[17]提出了一种基于OAM的非对称全双工MAC协议，用于解决全双工站点间干扰的问题；K.Liu等人提出了基于OAM的雷达成像技术，该技术对于发展新型雷达目标识别非常有前景^[18]。

以上研究中基于UCA的OAM通信模型均未考虑天线阵元的辐射方向图(AERP)。现有的基于UCA的OAM通信方法一般忽略AERP对通信性能的影响。已有研究表明，只有当天线阵元的方向图在方位角上对称时，OAM各个模态才能保持正交，当AERP在方位角上不对称时会影响OAM通信性能^[19]。然而，由于设计或制造的误差，AERP通常不是各向同性的，甚至是不对称的，这就导致了OAM模态隔离度降低，通信性能下降。

因此，现有方法仍然有一定的性能提升空间，有必要研究在AERP不对称情况下提升OAM通信性能的方法。

参考文献：