技术领域
[0001] 本
发明涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种轨道角动量OAM电磁波传输装置及方法。
背景技术
[0002] 2011年3月，瑞典空间物理研究所Thide教授小组在意大利威尼斯的泻湖
水面上用实验证明：利用OAM（Orbital Angular Momentum）电磁波即通过扭曲电磁波，可双倍提升无线通信的容量，基于OAM电磁波可以双倍提升信道容量的特点，OAM电磁波具有较大的适用范围。但是，设计人经研究发现，现有的OAM电磁波使用的旋转电磁波在中心是一个零点，电磁波的强度非常小，接近于零，因而OAM电磁波无法远距离传输，对OAM电磁波的推广应用造成了不利影响。
发明内容
[0003] 有鉴于此，本发明
实施例的目的在于提供一种OAM电磁波传输装置及方法，以改善
现有技术中OAM电磁波无法远距离传输，对OAM电磁波的推广应用造成了不利影响的问题。
[0004] 为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
[0005] 第一方面，本发明实施例提供了一种OAM电磁波传输装置，包括发射装置，所述发射装置包括第一
反射器和多个发射天线单元；
[0006] 所述多个发射天线单元均匀排列在位于所述第一反射器上的第一圆周上，，每个所述发射天线单元的
辐射方向均朝向所述第一反射器，所述第一圆周的圆心位于所述第一反射器的
主轴上；
[0007] 所述发射装置还包括与所述多个发射天线单元一对一相连的多个发射激励端口，与所述多个发射激励端口均相连的OAM复用器，以及与所述OAM复用器相连的第一OAM增益均衡器；
[0008] 所述OAM复用器和所述第一OAM增益均衡器用于将待传输的M维的并行
信号STn经增益均衡和复用之后转换为N维的天线
激励信号S’Tj。
[0009] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括接收装置，所述接收装置包括第二反射器和多个接收天线单元；
[0010] 所述多个接收天线单元均匀排列在位于所述第二反射器上的第二圆周上，每个所述接收天线单元的辐射方向均朝向所述第二反射器，所述第二圆周的圆心位于所述第二反射器的主轴上，每个所述接收天线单元的口面分别正对一个所述发射天线单元的口面，所述第二反射器的主轴方向与所述第一反射器的主轴方向位于同一直线上或与所述第一反射器的主轴方向形成小于60度的夹角；
[0011] 所述接收装置还包括与所述多个接收天线单元一对一相连的多个接收端口，与所述多个接收端口均相连的OAM解复用器，以及与所述OAM解复用器相连的第二OAM增益均衡器；
[0012] 所述OAM解复用器和所述第二OAM增益均衡器用于将接收的N维信号s’Rj解复用和增益均衡之后输出M维的并行信号sRn。
[0013] 结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述多个发射天线单元和所述多个接收天线单元均为偶极子天线，所述多个发射天线单元的方向与所述第一圆周的
中轴线平行；所述多个接收天线单元的方向与所述第二圆周的中轴线平行。
[0014] 结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第一圆周的半径和所述第二圆周的半径均大于所述OAM电磁波
波长的两倍。
[0015] 结合第一方面的一种或第二种或第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述第一反射器和所述第二反射器均为旋转抛物面，所述第一圆周的圆心位于所述第一反射器的焦点上，所述第二圆周的圆心位于所述第二反射器的焦点上，所述第一反射器的焦点位于所述发射天线单元的口面内，所述第二反射器的焦点位于所述接收天线单元的口面内。
[0016] 结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述多个发射天线单元的轴向均平行于所述第一反射器的主轴，所述多个接收天线单元的轴向均平行于所述第二反射器的主轴；或
[0017] 所述多个发射天线单元的轴向均垂直于所述第一反射器的主轴，所述多个接收天线单元的轴向均垂直于所述第二反射器的主轴。
[0018] 第二方面，本发明实施例提供了一种OAM电磁波传输方法，应用于上述OAM电磁波传输装置，所述方法包括：
[0019] 所述发射装置获得经基带调制和信道均衡处理后的M维的并行信号sTn；
[0020] 将所述M维的并行信号STn进行增益均衡和OAM复用，得到N维的天线激励信号s’Tj；
[0021] 将所述N维的天线激励信号S’Tj通过发射天线单元进行发射。
[0022] 结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，所述方法还包括：
[0023] 所述接收装置对所述发射装置发射的N维信号s’Rj进行接收；
[0024] 将所述N维信号s’Rj进行解复用和增益均衡，得到M维的并行信号sRn。
[0025] 结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，在最大可并行传输模式数M=2时，所述方法包括：
[0026] 发射装置对连续时间的两个码元向量序列[ST11-12,ST21-22]发射的符号c1和c2按照如下矩阵进行排列，形成两个态Alamounti Scheme
时空发射分集：
[0027] 其中，H为复共轭转置；
[0028] 接收装置对接收到的两个态进行解复用，将接收到的两个连续时间的向量序列[SR11-12,SR21-22]按如下公式与预设的复共轭相乘：
[0029]
[0030] 获得OAM态发射分集增益。
[0031] 其中，Alamounti Scheme时空发射分集和STBC在以下地址中有明确解释：
[0032] http://en.wikipedia.org/wiki/Space%E2%80%93time_block_code。
[0033] 结合第二方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，所述方法还包括：对于Q个连续时间的两个码元向量序列[ST11-1M,…STQ1-QM]，使用Q×M的空时分组码STBC进行编码，完成发射分集。
[0034] 本发明实施例中所提供的装置及方法，对OAM电磁波传输装置中的反射器、天线单元的排列方式等进行了多方面设计，使得本发明实施例中的装置在能够显著提高OAM电磁波的传输距离的同时，还能够在直射环境中使用不同的轨道角动量模式并行传输信息，从而能够显著提高无线通信容量。
[0035] 进一步地，本发明实施例提供的装置，设计巧妙、实施方便，能显著提高OAM电磁波的传输距离，具有突出的实质性特点和显著进步，适合大规模推广应用。
[0036] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附
附图，作详细说明如下。
附图说明
[0037] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0038] 图1示出了一种现有技术中的辐射图；
[0039] 图2示出了本发明实施例提供的一种传输装置的结构示意图；
[0040] 图3示出了本发明实施例提供的另一种传输装置的结构示意图；
[0041] 图4示出了本发明实施例所提供的一种发射装置的系统
框图；
[0042] 图5示出了本发明实施例所提供的一种发射装置中OAM复用器和第一OAM增益均衡器的工作示意图；
[0043] 图6示出了本发明实施例所提供的一种接收装置的系统框图；
[0044] 图7示出了本发明实施例所提供的一种接收装置中OAM解复用器和第二OAM增益均衡器的工作示意图；
[0045] 图8示出了本发明实施例所提供的一种模式1辐射图；
[0046] 图9示出了图8的X-Y平面图；
[0047] 图10示出了图8的X-Z平面图；
[0048] 图11示出了本发明实施例所提供的另一种模式3辐射图；
[0049] 图12示出了图11的X-Y平面图；
[0050] 图13示出了图11的X-Z平面图；
[0051] 图14示出了本发明实施例所提供的另一种模式5辐射图；
[0052] 图15示出了本发明实施例所提供的一种发射流程示意图；
[0053] 图16示出了本发明实施例所提供的一种接收流程示意图；
[0054] 图17示出了本发明实施例所提供的另一种发射流程示意图；
[0055] 图18示出了本发明实施例所提供的另一种接收流程示意图。
具体实施方式
[0056] 下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的
选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057] 实施例1
[0058] 2011年3月，瑞典空间物理研究所Thide教授小组在意大利威尼斯的泻湖水面进行的实验展示了一种新的物理机制，实现了同一频带能够承载更大的传输容量。该实验首次实现了
无线电波频段2.4GHz的OAM复用通信，使用两路OAM分别处于态1和态0的非相干电波，在442米的直线距离上实现同频态分复用通信，如图1所示。设计人经研究发现，现有OAM使用的旋转电磁波在中心是一个零点，电磁波的强度非常小，接近于零，所以传输距离不远，在电磁波辐射的正前方就衰减到极小的幅度，无法传输信号；另，双倍提升信道容量仍然不够，无法满足实际需求，用户急需更多倍地提升信道容量。
[0059] 为了改善上述问题，经多方试验，本发明实施例中选择应用多天线阵列进行通信，但和MIMO通信与智能天线不同，MIMO通信只能在多径散射环境中实现在同一个
频率并行传输信息，而在自由空间或者直射环境中不能并行传输信息；智能天线不能并行传输信息，只在直射环境中具有增加接收功率的作用。设计人经研究发现，在采用多天线阵列进行通信时，若将多个天线单元在反射器上排列为环形天线阵列，将各天线单元的发射方向、
相位中心等进行巧妙设置，则能使得传输装置显著提高OAM电磁波的传输距离，使得传输装置可以在直射环境中使用不同的轨道角动量模式并行传输信息，提高无线通信容量。
[0060] 基于上述研究，如图2所示，本发明实施例提供了一种OAM电磁波传输装置，包括发射装置，所述发射装置包括第一反射器和多个发射天线单元；所述多个发射天线单元均匀排列在位于所述第一反射器上的第一圆周上，每个所述发射天线单元的相位中心均位于所述第一圆周上，每个所述发射天线单元的辐射方向均朝向所述第一反射器，所述第一圆周的圆心位于所述第一反射器的主轴上。图2、图3为一种天线单元数N=8时的示意图。
[0061] 其中，优选多个发射天线单元均为偶极子天线，且每个偶极子天线的方向均与所述第一圆周的中轴线平行，每个偶极子天线的长度均为OAM电磁波波长的四分之一，第一圆周的半径大于所述OAM电磁波波长的两倍。偶极子天线主要用来发射和接收固定频率的信号，与现有技术中大都使用宽带天线相比，使用偶极子天线更适用于场地衰减和天线系数的测量。
[0062] 优选第一反射器为旋转抛物面，所述第一圆周的圆心位于所述第一反射器的焦点上，优选旋转抛物面足够大，所述第一反射器的焦点位于所述发射天线单元的口面内。
[0063] 需说明的是，上述中，相位中心是一个理论上的点，例如：在理论上认为天线辐射的信号是以某一点为圆心，向外辐射，这个点就是所谓的相位中心。
[0064] 反射器的选择有多种，例如：为球面一部分的镜面，球面镜，其中，主轴是连结球面镜
顶点与镜面中心的点划线；焦点是跟主轴平行的近轴光线射到球面上，反射光线会聚于主轴上一点，这一点称为焦点。
[0065] 其中，优选所述多个发射天线单元的轴向均平行于所述第一反射器的主轴，或所述多个发射天线单元的轴向均垂直于所述第一反射器的主轴。
[0066] 通过上述可知，在实施时，需将N个发射天线单元，优选为偶极子天线均匀排列在位于第一反射器上的第一圆周上，优选偶极子天线的方向与第一圆周中轴线平行，选用1/4波长偶极子天线，偶极子天线相位中心位于第一圆周上，优选的第一圆周半径大于二倍波长，第一圆周的圆心位于第一反射器，优选为旋转抛物面的焦点上，优选旋转抛物面足够大，其焦点在偶极子天线的口面以内，每个偶极子天线主辐射方向朝向第一反射器。其中，每个偶极子天线都被一个信号源激励，第j个天线单元上的信号为：
[0067]
[0068] 其中，i是复数单位，ω是
射频信号的角频率，N是环形天线阵列的天线单元数，n-1是并行传输的OAM模的序号，M是最大可并行传输模式数，j是天线单元的序号。
[0069] 如图3、图4所示，每个发射天线单元分别与一个发射激励端口相连，发射激励端口通过上行信号
滤波器fu与OAM复用器OAM Multiplexer相连，信号经上行信号滤波器滤波后再行传输，OAM复用器与第一OAM增益均衡器OAM Equilizer相连，第一OAM增益均衡器有M个
输入信号STn，每个输入信号都可以并行传输信息，在实施时优选输入信号STn是经过基带调制和信道均衡之后的输出，M维信号向量。
[0070] 本发明实施例中，优选OAM复用器和第一OAM增益均衡器均为矩阵乘法器，如图5所示，二者
串联实现乘法，将待传输的M维信号STn经复用和增益均衡之后转换为N维的天线激励信号S’Tj。
[0071]
[0072]
[0073]
[0074] 如上述公式所示，第一OAM增益均衡器OAM Equilizer的系数如公式中G的对角线元素，OAM复用器OAM Multiplexer的每一个子模
块Sub Multiplexer的乘法器系数OTjn是公式中OT的第j行n列的元素。
[0075] ST是需要独立并行传输的M维符号矢量，S’T是每个发射天线单元上的N维激励信号矢量，OT是OAM发射调制矩阵，GT是发射天线单元增益均衡矩阵。Gx(0～M-1)是第x个独立传输的模式在发射天线单元上的主轴传输方向上的增益，和普通天线不同，本发明实施例中对每个模式，虽然频率相同，增益却都不同。N是天线单元个数。
[0076] 以上天线阵列、反射器和包括发射激励端口、OAM复用器、第一OAM增益均衡器等构成的激励信号变换模块共同组成了OAM电磁波发射装置。
[0077] 基于相同原理，本发明实施例还提供了一种OAM电磁波接收装置，所述接收装置包括第二反射器和多个接收天线单元；所述多个接收天线单元均匀排列在位于所述第二反射器上的第二圆周上，每个所述接收天线单元的相位中心均位于所述第二圆周上，每个所述接收天线单元的辐射方向均朝向所述第二反射器，所述第二圆周的圆心位于所述第二反射器的主轴上，每个所述接收天线单元的口面分别正对一个所述发射天线单元的口面，所述第二反射器的主轴方向与所述第一反射器的主轴方向位于同一直线上。
[0078] 其中，优选多个接收天线单元均为偶极子天线，且每个偶极子天线的方向均与所述第二圆周的中轴线平行，每个偶极子天线的长度均为OAM电磁波波长的四分之一，第二圆周的半径大于所述OAM电磁波波长的两倍。
[0079] 优选第二反射器为旋转抛物面，所述第二圆周的圆心位于所述第二反射器的焦点上，优选旋转抛物面足够大，所述第二反射器的焦点位于所述接收天线单元的口面内。
[0080] 其中，优选所述多个接收天线单元的轴向均平行于所述第二反射器的主轴，或所述多个接收天线单元的轴向均垂直于所述第二反射器的主轴。
[0081] 通过上述可知，在实施时，将N个接收天线单元，优选为偶极子天线均匀排列在第二圆周上，优选偶极子天线的方向与第二圆周中轴线平行，选用1/4波长偶极子天线，偶极子天线相位中心位于第二圆周上，优选的第二圆周半径大于二倍波长，第二圆周的圆心位于第二反射器，优选为旋转抛物面的焦点上，优选旋转抛物面足够大，其焦点在偶极子天线的口面以内，每个偶极子天线主辐射方向朝向第二反射器。其中，接收天线单元口面对准发射天线单元口面，接收天线单元的主轴方向和发射天线单元的主轴方向在同一直线上。
[0082] 如图6所示，每个接收天线单元分别与一个接收端口相连，接收端口通过下行信号滤波器fd与OAM解复用器OAM De-Multiplexer相连，OAM解复用器与第二OAM增益均衡器OAM Equilizer相连，第二OAM增益均衡器有M个
输出信号sRn，每个输出信号都并行携带独立信息，优选输出信号sRn是信道解均衡和基带解调器的输入信号，是M维信号向量。如图7所示，优选OAM解复用器和第二OAM增益均衡器均为矩阵乘法器，二者串联实现乘法，用于将接收天线单元接收的N维信号s’Rj解复用和增益均衡之后输出M维的并行信号sRn。
[0083]
[0084] 其中，i是复数单位，N是环形天线阵列的天线单元数，n-1是并行传输的OAM模的序号，M是最大可并行传输模式数，j是天线单元的序号。
[0085]
[0086]
[0087]
[0088] 如上述公式所示，第二OAM增益均衡器OAM Equilizer的系数如公式中G的对角线元素，OAM解复用器OAM De-Multiplexer的每一个子模块Sub Multiplexer的乘法器系数oRnj是公式中OR的第n行j列元素。
[0089] SR是需要独立并行传输的M维符号矢量，S’R是每个接收天线单元上的N维接收信号矢量，OR是OAM发射调制矩阵，GR是接收天线单元增益均衡矩阵，对于同一个天线，GT=GR。Gx(0～M)是第x个独立传输的模式在接收天线单元上的主轴传输方向上的增益，OAM天线和普通天线不同，对每个模式，虽然频率相同，增益却都不同。N是天线单元个数，k是传输的不同模式之间的阶数差。
[0090] 以上天线阵列、反射器和包括接收端口、OAM解复用器、第二OAM增益均衡器等构成的接收信号变换模块共同组成了OAM电磁波接收装置。
[0091] 组合上述发射装置和接收装置，便能够实现双向传输。发射和接收可用双工器予以区分，例如：选用不同频率的滤波器，如：上行信号滤波器、下行信号滤波器，或者
开关，或环行器等。
[0092] 在上述
基础上，令并行独立传输的信息都相等，还可以进行多模式分集发射和分集接收，上述中的各矩阵乘法器均可简化为每个支路上的加权移
相变换器，每个变换器的乘数值如下述公式所示：
[0093]
[0094]
[0095] 其中，i是复数单位，N是环形天线阵列的天线单元数，n-1是并行传输的OAM模的序号，M是最大可并行传输模式数，j是天线单元的序号。
[0096] 基于上述公式，本发明实施例提供了其中几种实施例：
[0097] 设N=8，M=3，ST=1
[0098]
[0099]
[0100] 若Gi为各模式的天线增益，那么：
[0101]
[0102]
[0103] 设N=16，M=8，ST2、4、6、8=1，ST1、3、5，7=0
[0104]
[0105]
[0106] 若Gi为各模式的天线增益，那么：
[0107]
[0108]
[0109] 对于阵列信号发射和接收的每一个信号支路上的幅度和相位变换系数公式如ΦTj和ΦRJ。在每个模式的变换上除以该模式的辐射增益，可以使每个模式的辐射
能量相等，以获得最大的能量输出效率，即相同功率下的最大
频谱效率。
[0110] 基于上述实施方式，为了验证本发明实施例的实际应用效果，本发明实施例提供了在模式P为1时，采用本发明实施例中的传输装置在经过10000米传输后在主轴方向的辐射图，如图8～10所示；在模式P为3时，采用本发明实施例中的传输装置在经过10000米传输后在主轴方向的辐射图，如图11～13所示；在模式P为5时，采用本发明实施例中的传输装置在经过10000米传输后在主轴方向的辐射图，如图14所示。
[0111] 将本发明实施例中的图8～图14与现有技术中的图1对比可明显看出，采用本发明实施例中的传输装置，三个模式下OAM电磁波的螺旋波前特性均十分明显，有明显的螺旋形等相位面，中间均没有空洞，因此可以远距离传输。
[0112] 经验证，本发明实施例中的传输装置可以并行传输的模式数为1～N-1，例如：最大可并行传输模式数N=16，可以并行传输n等于0，1，3，5，7这5个模式。
[0113] 实施例2
[0114] 在实施例1的基础上，本发明实施例提供了一种OAM电磁波传输方法，应用于实施例1中的OAM电磁波传输装置，如图15所示，进行数据发射包括步骤S100：所述发射装置获得经基带调制和信道均衡处理后的M维的并行信号sTn；步骤S101：将所述M维的并行信号sTn进行增益均衡和OAM复用，得到N维的天线激励信号s’Tj；步骤S102：将所述N维的天线激励信号s’Tj通过发射天线单元进行发射。
[0115] 如图16所示，进行数据接收包括步骤S200：所述接收装置对所述发射装置发射的N维信号s’Rj进行接收；步骤S201：将所述N维信号s’Rj进行解复用和增益均衡，得到M维的并行信号sRn。
[0116] 在最大可并行传输模式数M=2时，所述方法包括：
[0117] 发射装置对连续时间的两个码元向量序列[ST11-12,ST21-22]发射的符号c1和c2按照如下矩阵进行排列，形成两个态的Alamounti Scheme发射分集：
[0118] 其中，H为复共轭转置；
[0119] 接收装置对接收到的两个态进行解复用，将接收到的两个连续时间的向量序列[SR11-12,SR21-22]按如下公式与预设的复共轭相乘：
[0120]
[0121] 获得OAM态发射分集增益。
[0122] 其中，对于Q个连续时间的两个码元向量序列[ST11-1M,…STQ1-QM]，使用Q×M的空时分组码STBC进行编码，完成发射分集。
[0123] 基于上述方法，如图17所示，进行数据发射具体包括步骤S301：发射装置对连续时间的两个码元向量序列发射的符号c1和c2进行排列，形成两个态的Alamounti Scheme发射分集；步骤S302：所述发射装置获得经基带调制和信道均衡处理后的二维的并行信号；步骤S303：将所述二维的并行信号进行增益均衡和OAM复用，得到N维的天线激励信号；步骤S304：将所述N维的天线激励信号通过发射天线单元进行发射。
[0124] 如图18所示，进行数据接收包括步骤S400：所述接收装置对所述发射装置发射的N维信号进行接收；步骤S401：将所述N维信号进行解复用和增益均衡，得到二维的并行信号；步骤S402：对二维态发射分集信号进行解码，获得态分分集增益。
[0125] 本发明实施例所提供的方法，其实现原理及产生的技术效果和前述装置实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述装置实施例中相应内容。
[0126] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以
权利要求的保护范围为准。
