[发明专利]基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法

权利要求书

1.一种基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，该通信方法对应的通信系统包括一个波长之内的近距离放置的发射端和接收端，其中发射端包括有单位逆离散傅里叶变换IDFT模块和发射线圈圆阵列，接收端包括有接收线圈圆阵列和单位离散傅里叶变换DFT模块，输入信号通过IDFT模块进入发射端，接收端输出信号通过DFT模块输出，其特征在于，包括以下步骤：

(1)定义发射和接收线圈圆阵列：发射线圈圆阵列为一个半径为R_t的圆环状线圈阵列，半径为R_t的圆环状线圈阵列包括有N_t个法线相互平行的发射线圈，这些线圈的几何中心等间距排列在发射线圈圆阵列上；接收线圈圆阵列为一个半径为R_r的圆环状线圈阵列，半径为R_r的圆环状线圈阵列包括有N_r个法线相互平行的接收线圈，这些线圈的几何中心等间距排列在接收线圈圆阵列上；

(2)建立坐标系、确定各线圈编号和坐标位置：建立表述线圈相对几何位置关系的坐标系，在坐标系中标注出发射和接收线圈的位置坐标与编号；

2a)建立用于标注各个线圈位置的三维正交坐标系；

2b)按照顺时针或逆时针顺序，对发射线圈和接收线圈分别进行编号；

2c)根据接收线圈轴线偏离发射线圈轴线的偏转角θ_x和θ_y，以及发射和接收线圈编号，确定接收线圈圆阵列中各个线圈所在坐标；

其中，建立坐标系、确定各线圈编号和坐标位置，具体包括：

2.1)以发射线圈圆阵列的圆心到任意一个发射线圈中心连线方向为x轴，以发射线圈圆阵列的轴线方向为z轴，按照右手螺旋法则确定y轴，建立三维空间直角坐标系；

2.2)所述编号方法为：按照顺时针或者逆时针顺序，对发射线圈和接收线圈分别进行编号，其中，发射线圈编号为：0≤n≤N_t-1，接收线圈编号为：0≤m≤N_r-1；

2.3)得到的各个线圈的坐标，

2.31)其中，编号为n的发射线圈的三维笛卡尔坐标(x'_n,y'_n,z'_n)为：

2.32a)当θ_x＝θ_y＝0，编号为m的接收线圈的三维笛卡尔坐标(x_m,y_m,z_m)为：

2.32b)对于其他θ_x和θ_y，编号为m的接收线圈的三维笛卡尔坐标(x_m,y_m,z_m)为：

在坐标系中标注出发射和接收线圈的位置坐标与编号；式中，(d_x,d_y,d_z)为接收线圈圆心坐标位置，接收线圈轴线沿着x轴和y轴方向偏离发射线圈轴线的偏转角θ_x和θ_y，表示两个线圈轴线夹角；

(3)计算收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵M_s：由所得的发射和接收线圈圆阵列中的各发射线圈和接收线圈的位置坐标及编号，计算得到收发线圈之间和发射线圈之间的互感矩阵；

3a)由接收线圈位置坐标，计算得到收发线圈之间的互感矩阵如下：

其中，表示编号为n_t的发射线圈和编号为n_r的接收线圈之间的互感，0≤n_t≤N_t-1，0≤n_r≤N_r-1.当d_x＝d_y＝0且θ_x＝θ_y＝0时，M为循环矩阵；

3b)依据发射线圈位置坐标，计算得到发射线圈之间的互感矩阵如下：

其中，表示编号为n₂的发射线圈和编号为n₁的发射线圈 之间的互感，0≤n₁,n₂≤N_t-1，M_s为循环矩阵；

(4)计算涡旋电磁波近场通信OAM-NFC的信道矩阵：根据发射和接收线圈阵列中的收发线圈之间的互感矩阵M、发射线圈之间的互感矩阵M_s以及互感电动势和发射线圈激励间的关系，计算得到OAM-NFC信道矩阵H；

(5)确定发射端OAM-NFC线圈激励：将发射端的输入信号转变为各发射线圈上的激励，设输入的需要传输的信号表示为列向量则每个发射线圈的激励电压v_t为：

v_t＝Wx_t

其中W为单位IDFT矩阵；

(6)对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC信号进行接收和分离：由发射激励感应得到的接收电动势，得到近场涡旋电磁波的分离信号，即恢复的输入信号；

由发射激励感应得到接收电动势，接收端接收线圈圆阵列上接收线圈互感电动势为v_r＝HWx_t+n，其中n表示接收线圈上的加性噪声；当发射线圈总数等于接收线圈总数时，即N_r＝N_t，d_x＝d_y＝0且θ_x＝θ_y＝0时，接收线圈的互感电动势与输入信号存在如下关系：

其中W^H为单位DFT矩阵，向量h为矩阵H的第一列；因此分离信号即恢复的输入信号与接收互感电动势存在如下关系：

其中，为列向量形式的分离信号，即恢复信号，diag(W^Hh)⁺为diag(W^Hh)的广义逆矩阵；

(7)对涡旋电磁波近场通信OAM-NFC分离信号进行判决：对分离信号进行离散判决，得到离散化表达的接收端处理后的输出信号x_r：

其中，为所有可能的发射信号组成的向量集合；由输入信号x_t经过所述通信方法对应的通信系统得到输出信号x_r的过程，实现了涡旋电磁波近场通信过程。

2.根据权利要求1所述基于线圈圆阵列的涡旋电磁波近场无线通信方法，其特征在于：

步骤(3)中所述的计算收发线圈之间的互感矩阵M和发射线圈之间的互感矩阵M_s，具体过程如下：

N_t个发射线圈均为半径为r_t的圆形线圈，匝数为K_t；所述的N_r个接收线圈均为半径为r_r的圆形线圈，匝数为K_r；互感矩阵M中各个元素和M_s中非对角线元素的计算方法均如下：

其中M_2,1表示编号为1的线圈和编号为2的线圈之间的互感，对于M，编号1对应于发射线圈的编号，编号2对应于接收线圈的坐标；对于M_s，编号1和编号2分别对应两个发射线圈的编号；μ₀是真空磁导率，r₁和r₂分别为编号为1的线圈和编号为2的线圈的半径，d表示编号为2的线圈圆心到编号为1的线圈轴线之间的距离，D表示编号为2的线圈圆心到编号为1的线圈圆面的垂直距离，参数φ为表征编号为2的线圈上任一点坐标的方位角，0≤φ≤2π；互感计算公式中其他中间变量由下列公式得出：

上述V，k，K(k)，E(k)，ψ(k)参数均由r₁，r₂，θ，d，D，φ确定，是互感公式表述中的中间变量；M_s中对角线元素均为0。