[发明专利]一种多模态轨道角动量涡旋波的任意采样接收方法

说明书

本发明提出了一种多模态轨道角动量涡旋波的任意采样接收方法，用于在空间环境存在障碍物限制的情况下，在保证远距离传输接收孔径较小和实现连续阶模态值的涡旋波接收的同时，提高多模态轨道角动量涡旋波模态信息的准确性。实现步骤为：确定每个天线单元的方位角；构建多模态轨道角动量涡旋波的场表达式根据采样定理构建M个模态涡旋波的能量幅度向量c与N个天线单元采样接收的多模态涡旋波信号向量b之间的系数矩阵A；采样接收装置获取多模态涡旋波信号向量b；获取多模态轨道角动量涡旋波中第i个模态涡旋波能量幅度F_i的值。本发明实现了对连续阶模态值的涡旋波的灵活接收，提高了轨道角动量的利用率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种轨道角动量涡旋波的接收方法，特别涉及一种针对接收环境限制的多模态轨道角动量涡旋波的任意采样接收方法，可用于射频和微波波段无线通信系统。

背景技术

随着无线通信技术的广泛应用，信道拥挤问题成为现阶段技术的研究难点，轨道角动量涡旋波(OAM)的模态特性为信息传输带来一种新兴的复用方式，这为拓展信道容量提供了可能性。直到2007年，瑞典的B.Thide教授团队通过阵列天线的方法成功产生轨道角动量涡旋波，涡旋波的场表达式所携带的项(其中l表示模态数)使其传输特性为螺旋分布的等相位面，这是涡旋波在射频无线通信领域的首次实现，由此涡旋波在无线通信中的应用逐步成为当今的研究热点。研究表明，轨道角动量涡旋波束的模态值决定了相位的具体分布。而不同模态的轨道角动量涡旋波之间具有正交性，可以传输易于解调的多个独立信道，并且理论上涡旋波束的模态数量没有限制，多模态涡旋波的模态复用特性为无线通信技术发展带来了无限的可能性。

为了实现涡旋波束的通信应用，轨道角动量的接收与模态解调方法成为电磁涡旋技术的重点之一。由于涡旋波自身传输特性，波束中心带有幅度为零的暗区，且暗区半径随传输距离变远而增大。因此，当传输距离较远时，也需要较大接收孔径来有效的实现模态解复用，已有的非采样接收方法如：全息板(HP)、螺旋相位板(SPP)、折射元变换法是非常难以实现的。在无线通讯方面，天线采样法接收相较于传统方法更为灵活。2011年，通过全孔径均匀采样接收法成功实现2.414GHz涡旋电磁波通信实验，实验通过放置相距4.5米的两个八木天线进行涡旋波束的发射与接收。全孔径均匀采样接收法可以接收连续阶模态值涡旋波，但在较远距离传输情况下，全孔径尺寸太大而不适于实际应用。为了在远距离传输条件下接收，部分孔径均匀采样接收法于2016年被提出。该方法要求接收天线单元均匀分布在1/P(P为整数)的扇形区域，减少了涡旋波远距离传输时天线的接收孔径，而部分孔径采样接收方法要求接收的两个涡旋波模态值l满足一定间隔，即连续低阶模态值的涡旋波束无法通信，这降低了轨道角动量的利用率。全孔径与部分孔径采样接收方法的接收天线均匀分布可能会被空间中的障碍物影响，这会对接收的涡旋波能量幅度造成影响而造成多模态轨道角动量涡旋波模态信息不准确。

发明内容

本发明的目的在于克服现有发明技术存在的缺陷，提出了一种多模态轨道角动量涡旋波的任意采样接收方法，用于在空间环境存在障碍物限制的情况下，在保证远距离传输接收孔径较小和实现连续阶模态值的涡旋波接收的同时，提高多模态轨道角动量涡旋波模态信息的准确性。

本发明的技术思路是：首先根据方向角域和涡旋电磁波的模态数域关系，推导出多模态涡旋波的场表达式，之后结合采样定理与采样接收天线单元的分布构建各模态涡旋波的能量幅度与天线单元采样接收的多模态涡旋波信号之间的系数矩阵，最后通过系数矩阵与多模态涡旋波接收信号计算得到多模态涡旋波模态能量幅度分布。

为实现上述目的，本发明通过采样接收装置实现对多模态轨道角动量涡旋波束的任意采样接收，所述采样接收装置包括分布在半径为R的圆环上的N个天线单元组成的天线阵列，N≥M，M为待接收的多模态轨道角动量涡旋波的模态个数，M≥2，天线单元为均匀分布或不均匀分布，多模态轨道角动量涡旋波的传输中心垂直通过天线阵列所在平面的中心，实现步骤为：

(1)确定每个天线单元的方位角：