基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，包括：电磁波发射端，用于发射不同的OAM电磁波信号；天线阵，用于接收电磁波信号；预滤波器，用于对接收信号进行滤波，以从接收信号中分离出不同频率的电磁波信号；内插算法模块，用于内插出根据预设转速移动的虚拟天线，以将分离出的同一频率的不同OAM电磁波通过内插处理变换到频域的不同频率信号；滤波器，用于分离出内插处理后不同频率的电磁波信号。该系统只需接收部分OAM电磁波信号即可完成OAM信号接收与分离，并且不同频点的信号在频域变换的过程中不存在相互干扰，可提高OAM传输频谱效率，增加OAM传输距离，简单便捷。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统
本专利技术涉及无线传输
，特别涉及一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统。
技术介绍
OAM(OrbitalAngularMomentum，电磁波轨道角动量)是区别于电磁波电场强度的另一个重要物理量。具有OAM的电磁波又称“涡旋电磁波”，其相位面沿着传播方向呈现螺旋状，已经不是平面电磁波。OAM电磁波最先研究主要集中在光学领域，随着光学OAM研究不断成熟之后才逐步过渡到无线电波频段。电磁波的OAM提供了除频率、相位、空间之外的另一个维度，给人们提供了一个新的视角去认识和利用电磁波。最初设想将OAM用在通信中可以获得很多优点，如：整数倍OAM模式数的电磁波之间相互正交，在同一个频点可以传输多路正交信号，从而提高频谱效率，增加信道容量。然而，对于OAM电磁波的研究还停留在实验室阶段，主要集中在光纤传输、量子操作、短距离通信等方面。关于OAM电磁波的“长距离”传输方式至今还未得到解决。极大地限制了涡旋电磁波的应用的可能性。分析现有电磁波OAM传输方式可发现：随着OAM数的增加，OAM电磁波发散角增大，从发射天线发出的电磁波波束成锥状。传输距离越长，波束越发散。如果按光纤中采用的共轴接收整个相位面的方法，则需要与传播方向共轴的巨大环状分布天线。比如OAM模式数为1，波束角0.5度，传输10km则需要直径100m的天线；传输100km则需要直径1km天线；传输1000km则需要直径10km天线，这在工程上难以实现。反观光纤传输，由于光纤的全反射，光波发散后经全反射又汇聚，传输中不断重复发散和汇聚，因此可以长距离传输，并不存在自由空间波束发散的难点；OAM电磁波沿着传播方向正好是能量奇异点(陷波点)，主要能量集中在发散角的方向，即从横截面上看是一个中空的环状结构。为了获得最强接收功率，需要在发散角方向接收，而不是共轴方向，这对传输方式和接收系统设计造成困难。鉴于以上难点，超过1km的OAM电磁波传输鲜有报道。相关技术中，旋转OAM(RotationalOAM，简称ROAM)，用机械结构或电扫方法将OAM电磁波旋转起来，以便将空域接收变换为时域接收，在发散角方向空间中的一个点位置用普通天线即可接收全部OAM信号，不同OAM呈现类似正交频分复用(OFDM)的接收信号。对于某一频率的OAM电磁波发射信号，当采用机械或电扫方式将其相位面旋转起来后，在接收进行时域单点接收会产生一定的频偏，该频偏大小与OAM模式数及旋转速度呈正比例关系。ROAM电磁波之所以能够产生频移，是因为OAM电磁波存在方位向的旋转动态频移效应(也可以看成一种角多普勒效应)，即：发端OAM电磁波相对接收端固定点产生了方位向的相对旋转。既然OAM电磁波与接收天线在方位向相对旋转之后可以产生频移，那让发射端OAM电磁波固定，而接收端天线旋转，则应该出现相同的效果。然而，由于OAM电磁波波束呈现环状分布，且能量环的半径随传输距离增大，接收端不可能让单个天线在该能量环上旋转，为此必须寻找一种信号处理方法，使处理后的信号等效为一根在能量环上旋转的天线接收的信号。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，该系统可以完成OAM信号接收与分离，并且实现长距离、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基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，包括：OAM电磁波发射端，用于发射具有不同OAM的电磁波信号；天线阵，所述天线阵具有多根接收天线，用于接收所述电磁波信号；预滤波器，用于在频域中进行预滤波，以从所述电磁波信号中分离出不同频率的电磁波；内插算法模块，用于内插出根据预设转速移动的虚拟天线，以将预滤波器分离出的同一频率的不同OAM的电磁波通过内插处理变换到频域不同的频点；滤波器，用于分离出经过内插处理后得到的不同频率的电磁波信号。本专利技术实施例的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，在接收端通过预滤波器和天线阵内插信号处理的方法将不同OAM电磁波信号变换到频域进行区分，不但完成了同频率不同OAM电磁波信号接收与分离，并且不同频点的信号在频域变换的过程中不存在相互干扰，提高了OAM电磁波传输频谱效率，简单便捷，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。另外，根据本专利技术上述实施例的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述虚拟天线是对所述天线阵接收信号进行内插处理后等效出来的，其位置在所述天线阵中随时间移动，以使接收到的所述电磁波信号产生旋转动态频移，且大小随着OAM模式数和虚拟天线旋转速度呈正比。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述发射端可以同时发射多路OAM电磁波信号，接收端基于天线阵接收的信号可以内插出多个虚拟天线，虚拟天线转速可以根据所需传输速率设定。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述OAM电磁波发射端通过螺旋相位板、螺旋反射面或环形相控阵产生螺旋相位面，以得到所述具有轨道角动量的电磁波信号。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述内插算法模块根据OAM电磁波的旋转动态频移效应将所述不同轨道角动量电磁波变换到频域中的不同频点。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述预滤波器对所述天线阵接收信号进行滤波，分离出不同频点的信号，针对某一频点的具有不同OAM模式数的信号再送入后续内插模块。可选地，在本专利技术的一个实施例中，所述天线阵的阵型为线型、弧形、矩形、圆形和方形中任意一种。可选地，在本专利技术的一个实施例中，接收天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线和阵列天线中的任意一种。可选地，在本专利技术的一个实施例中，所述滤波器为时域或者频域滤波器、数字滤波器或模拟滤波器。可选地，在本专利技术的一个实施例中，所述电磁波包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。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基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统的结构示意图；图2为根据本专利技术一个实施例的天线阵内插接收频域分离方法的示意图；图3为根据本专利技术一个实施例的圆弧型天线阵内插算法模块的示意图；图4为根据本专利技术一个实施例的圆弧型天线阵内插出的天线位置的示意图；以及图5为根据本专利技术一个实施例的频偏与OAM模式数和内插天线旋转速率的关系示意图。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基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统。图1是本专利技术实施例的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统的结构示意图。如图1所示，该基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统包括：OAM电磁波发射端101、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，包括：OAM电磁波发射端，用于发射不同的轨道角动量的电磁波信号；天线阵，所述天线阵具有多根接收天线，用于接收所述电磁波信号；预滤波器，用于对天线阵接收信号进行预滤波，以从所述电磁波信号中分离出不同频率的电磁波；内插算法模块，用于对预滤波后所需频率的信号进行内插出根据预设转速移动的虚拟天线，以将分离出该频率不同OAM模式数的电磁波通过内插处理变换到不同的频域；以及滤波器，用于分离出不同频率的电磁波，以提取相应频点的电磁波，从而接收所述不同的OAM电磁波信号且进行区分。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，包括：OAM电磁波发射端，用于发射不同的轨道角动量的电磁波信号；天线阵，所述天线阵具有多根接收天线，用于接收所述电磁波信号；预滤波器，用于对天线阵接收信号进行预滤波，以从所述电磁波信号中分离出不同频率的电磁波；内插算法模块，用于对预滤波后所需频率的信号进行内插出根据预设转速移动的虚拟天线，以将分离出该频率不同OAM模式数的电磁波通过内插处理变换到不同的频域；以及滤波器，用于分离出不同频率的电磁波，以提取相应频点的电磁波，从而接收所述不同的OAM电磁波信号且进行区分。2.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述虚拟天线是对所述天线阵接收信号进行内插处理后等效出来的，其位置在所述天线阵中随时间移动，以使接收到的所述电磁波信号产生旋转动态频移，且大小随着OAM模式数和虚拟天线旋转速度呈正比。3.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述发射端可以同时发射多路OAM电磁波信号，接收端基于天线阵接收的信号可以内插出多个虚拟天线，虚拟天线转速可以根据所需传输速率设定。4.根据权利要求1所述的基于虚拟旋转天线的电磁波轨道角动量接收系统，其特征在于，所述内插算法模块根...

【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