旋转电磁波轨道角动量无线传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种旋转电磁波轨道角动量无线传输系统，通过旋转螺旋相位板将发射端电磁波的不同轨道角动量状态数转换成接收端电磁波的不同频偏，进而在接收端可以形成正交频分复用信号。将轨道角动量电磁波由空域接收转变为时域正交接收，可以克服传统具有轨道角动量电磁波波束角造成的自由空间发散问题，实现电磁波轨道角动量长距离、大容量、高频谱效率传输问题。本发明专利技术中，基带信号经过调制、上变频到射频后馈入发射天线，经过透镜汇聚后入射到螺旋相位板产生轨道角动量电磁波，之后由旋转装置控制螺旋相位板旋转，进而产生旋转的轨道角动量电磁波。接收端接收部分电磁波后，下变频后送入解调器，采用正交频分复用信号解调方法完成解调。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传输
，特别涉及一种旋转电磁波轨道角动量无线传输系统。
技术介绍
电磁波轨道角动量(OAM)，自1992年由Allen等人用麦克斯韦方程组理论推导，并在1994年由实验验证之后便开始在学术界得到广泛的关注和深度研究。电磁波的角动量包括自旋角动量和轨道角动量两部分。自旋角动量对应电磁波的极化，它存在左右两种自由度，自20世纪50年代初被提出来以后便得到了迅速发展。如今关于极化的研究和产品已经非常成熟。而作为一种新的自由度，电磁波的轨道角动量，在围绕传播轴方向呈螺旋状前进。电磁波自马可尼时代开始既已使用振幅作为信息传输手段。其中，频率表示振幅变化的快慢，而相位则表示振幅在什么时间变化。利用电磁波振幅作为信息载体的传输手段至今没有变化。电磁波的到底是什么，人们至今对其认识也只停留在马可尼时代。然而，轨道角动量作为电磁波的又一典型物理量，给人们提供了一种新的视角去研究和开发电磁波。它在很多方面都存在潜在的应用。在传输方面，电磁波不同轨道角动量之间相互正交，通过复用不同的轨道角动量，并经由同一个口径发射或接收，可以极大提高传输频谱效率。在天文方面，可以利用具有轨道角动量电磁波实现对电磁层涡旋特性的探测。在粒子操控方面，具有轨道角动量的光波具有光学扳手的作用，可以实现对微粒的旋转。因此，区别于常规电磁波，轨道角动量为电磁波提供了一种新的维度，给人们认识电磁波提供了新的视角，其在传输和探测等方面的必定存在重大应用价值。在短距离通信中，接收端必须将OAM电磁波整个空域的能量全部接收下来后才能区分不同OAM电磁波。然而，由于具有轨道角动量的电磁波波束存在能量奇点，其波束呈现环状分布，并且环形能量(能量环)的半径随着传输距离的增加而不断扩。长距离传输中如果采用类似上述短距离通信的全空域接收方式，所需天线口径将非常大。因此，此时接收端无法接收全部电磁波能量，只能接收部分电磁波能量，这对长距离OAM电磁波传输中不同轨道角动量信号的正确接收造成严重困难。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决背景中所述的自由空间电磁波轨道角动量传输中由于波束发散造成的空域接收困难问题。为此，本专利技术的目的在于提出一种旋转电磁波轨道角动量无线传输系统，该系统能够实现长距离、大容量、高频谱效率的电磁波轨道角动量传输。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种旋转电磁波轨道角动量无线传输系统，包括：信号发生器子系统，所述信号发生器子系统包括：调制器，用于对所述基带数据进行中频调制；射频发射单元，用于将中频信号的上变频为相应频点的射频信号；发射天线子系统，所述发射天线子系统包括：发射天线，用于将传输线上的导行波转换为自由空间传播的电磁波；透镜，所述电磁波通过所述透镜准直后减小发散角；螺旋相位板，用于将入射的所述电磁波变成具有轨道角动量的电磁波；旋转装置，用于控制所述螺旋相位板旋转，以产生旋转的轨道角动量电磁波，进而送入自由空间中传播；信号接收机子系统，所述信号接收机子系统包括：接收天线，用于将自由空间中传播的所述旋转的轨道角动量电磁波转换成传输线中的导行波；射频接收单元，用于将所述接收天线接收的射频信号下变频到中频；解调器，采用正交频分复用(OFDM)信号解调方法完成对中频信号的解调。本专利技术实施例的旋转电磁波轨道角动量无线传输系统，信息数据首先经过信号发射机，信号发射机完成对基带数据调制和上变频后送入天线单元，天线产生相应的电磁波波束，该电磁波束经过透镜汇聚之后入射到旋转的螺旋相位板上，该螺旋相位板的转速由旋转装置进行控制，产生具有旋转轨道角动量的电磁波，不同轨道角动量的电磁波经过旋转后在接收端将产生不同的频偏，该旋转的不同轨道角动量电磁波经过自由空间传播之后到达接收端，接收端用天线将该电磁波的部分能量接收下来，之后送入信号接收机，信号接收机对射频信号的下变频后送入解调器，解调器采用OFDM信号解调方法解调出基带信号，从而实现电磁波在自由空间中的大容量、长距离传输，简化了接收难度，大幅度地提高了频谱效率。另外，根据本专利技术上述实施例的旋转电磁波轨道角动量无线传输系统还可以具有以下附加的技术特征：可选地，在本专利技术的一个实施例中，所述电磁波可以包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，旋转所述具有轨道角动量的电磁波的原理为旋转天线口径面上的相位分布。可替代性地，在本专利技术的一个实施例中，所述旋转装置可以是电机或者其他类型的任意机械旋转。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述发射天线子系统为至少一个。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述发射天线和所述接收天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线等天线中的任意一种。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述螺旋相位板的制作材料包括高密度聚乙烯、聚丙烯、TPX等常用电磁波材料中的一种或多种。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，可以通过劳伯透镜或者印刷电路板(PCB)打孔制作所述螺旋相位板。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术实施例的旋转电磁波轨道角动量无线传输系统的结构示意图；图2为根据本专利技术一个具体实施例的旋转电磁波轨道角动量无线传输系统的结构示意图；图3为根据本专利技术一个实施例的螺旋相位板的结构示意图；图4为根据本专利技术一个实施例的采用螺旋相位板实现旋转轨道角动量的示意图；图5为根据本专利技术一个实施例的不同旋转速率和不同轨道角动量情况下对应的接收端信号频移示意图；以及图6为根据本专利技术一个实施例的旋转电磁波轨道角动量多路复用传输的示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的旋转电磁波轨道角动量无线传输系统。图1是本专利技术实施例的旋转电磁波轨道角动量无线传输系统的结构示意图。如图1所示，该无线传输系统10包括：信号发生器子系统100、发射天线子系统200和信号接收机子系统300。其中，信号发生器子系统100包括：调制器101、射频发射单元102；发射天线子系统200包括：发射天线201、透镜202、螺旋相位板203、旋转装置204；信号接收机子系统300包括：接收天线301、射频接收单元302、解调
器303。具体地，调制器101用于对基带数据进行中频调制。射频发射单元102用于将中频信号上变频为相应频点的射频信号。发射天线201用于将传输线上的导行波转换为自由空间传播的电磁波。电磁波通过透镜202准直后减小发散角。螺旋相位板203用于将入射的电磁波变成具有轨道角动量的电磁波。旋转装置204用于控制螺旋相位板203旋转，以产生旋转的轨道角动量电磁波，进而送入自由空间中传播。接收天线301用于将自由空间中传播的旋转的轨道角动量电磁波转换成传输线中的导行波。射频接收单元302用于将接收天线接收的射频信号下变频到中频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转电磁波轨道角动量无线传输系统，其特征在于，包括：信号发生器子系统，所述信号发生器子系统包括：调制器，用于对基带数据进行中频调制；射频发射单元，用于将中频信号的上变频为相应频点的射频信号；发射天线子系统，所述发射天线子系统包括：发射天线，用于将传输线上的导行波转换为自由空间传播的电磁波；透镜，所述电磁波通过所述透镜准直后减小发散角；螺旋相位板，用于将入射的所述电磁波变成具有轨道角动量的电磁波；旋转装置，用于控制所述螺旋相位板旋转，以产生旋转的轨道角动量电磁波，进而送入自由空间中传播；以及信号接收机子系统，所述信号接收机子系统包括：接收天线，用于将自由空间中传播的所述旋转的轨道角动量电磁波转换成传输线中的导行波；射频接收单元，用于将所述接收天线接收的射频信号下变频到中频；解调器，所述发射天线子系统同时产生多路具有轨道角动量的电磁波，经过旋转后在接收端产生不同的频偏，所述解调器采用正交频分复用(OFDM)信号的解调方法完成对信号的解调。

【技术特征摘要】
1.一种旋转电磁波轨道角动量无线传输系统，其特征在于，包括：信号发生器子系统，所述信号发生器子系统包括：调制器，用于对基带数据进行中频调制；射频发射单元，用于将中频信号的上变频为相应频点的射频信号；发射天线子系统，所述发射天线子系统包括：发射天线，用于将传输线上的导行波转换为自由空间传播的电磁波；透镜，所述电磁波通过所述透镜准直后减小发散角；螺旋相位板，用于将入射的所述电磁波变成具有轨道角动量的电磁波；旋转装置，用于控制所述螺旋相位板旋转，以产生旋转的轨道角动量电磁波，进而送入自由空间中传播；以及信号接收机子系统，所述信号接收机子系统包括：接收天线，用于将自由空间中传播的所述旋转的轨道角动量电磁波转换成传输线中的导行波；射频接收单元，用于将所述接收天线接收的射频信号下变频到中频；解调器，所述发射天线子系统同时产生多路具有轨道角动量的电磁波，经过旋转后在接收端产生不同的频偏，所述解调器采用正交频分复用(OFDM)信号的解调方法完成对信号的解调。2.如权利要求1所述的旋转电磁波轨道角动量无...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，马路，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11