基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法技术

本发明专利技术公开的基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法，涉及无线通讯技术领域，利用

Modal Separation Method of Vortex Electromagnetic Waves Based on UCA of Parallel Non-coaxial Antenna Array

The present invention discloses a mode separation method of eddy electromagnetic wave based on parallel non-coaxial antenna array UCA, which relates to the field of wireless communication technology and utilizes the method.

【技术实现步骤摘要】
基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法。
技术介绍
随着平面电磁波无线通信越来越成熟，时间和频率等传统资源被充分利用。为了进一步提高频谱效率，必须探索其他维度的资源以进行高效的通信。因此，在过去的几年中，基于轨道角动量(OrbitalAngularMomentum，OAM)的无线通信被广泛研究。不携有轨道角动量的传统平面电磁波在同一频率只能传输一路信息，而涡旋型传输电磁波通信可以通过对电磁波的不同轨道角动量进行编码实现同一频率传输多路信息，从而大幅提升了现有的通信容量，提高了频谱效率。而且由于不同模态阶数的涡旋电磁波相互正交互不干扰，涡旋电磁波通信同时具有保密性强的优点。在产生携有轨道角动量的涡旋电磁波的天线中，均匀圆阵列天线(UniformCirculararrayAntenna，UCA)设备因其具有在传输不同OAM电磁波方面的灵活性而被认为是一种很有前途的涡旋无线通信天线结构。当前，对UCA结构的研究中，对于发射UCA和接收UCA之间的严格对准提出了很高的要求。有文献报道，当发射UCA和接收UCA之间严格对准时，可以有效的提高频谱效率，若没有保证严格对准，那么接收信号的相位不仅包含OAM各模态的相位，还包含了接收UCA天线阵元不等距传输引起的相位湍流，这就影响了接收UCA信号的有效接收。然而对于无线通信，保持收发装置彼此对准是不切实际的，显然这种方法在实际的无线通信应用中不常见。因此，如何在发射UCA接收UCA没有严格对准的情况下，对OAM电磁波进行模态分离是当前研究的问题之一。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术实施例提供了一种基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法，该方法包括以下步骤:利用求解hmn，其中，hmn为发射UCA的第n个天线阵元到接收UCA的第m个天线阵元的信道增益，β为一个常数，j为虚数单位，λ为涡旋电磁波的波长，dmn表示接收面板上第m个天线阵元到发射面板上第n个天线阵元的距离，1≤m≤M，1≤n≤N，M为接收面板上天线阵元的个数，N为发射面板上天线阵元的个数，包括：在直角坐标系中，发射面板上第n个天线阵元的坐标其中，αr表示发射面板第一个天线阵元与坐标轴X之间的夹角，为是发射UCA的基础相位，为发射UCA的方位角；接收面板的圆心的坐标其中d表示发射UCA和接收UCA圆心的距离，θ表示发射UCA圆心与接收UCA圆心的连线在发射面板上的投影与坐标轴X的夹角，φ表示发射UCA圆心与接收UCA圆心的连线与坐标轴Z的夹角。因为收发面板平行，所以接收面板上的第m个天线阵元的坐标为[Rcos(ψm+αR)+dsinφcosθ,Rsin(ψm+αR)+dsinφsinθ,dcosφ]，其中，ψm+αR是接收UCA的方位角，其中是接收UCA的基础相位,αR表示接收面板第一个天线阵元与坐标轴X之间的夹角。所以发射UCA的第n天线阵元在接收面板上的投影与接收面板上的第m个天线阵元的距离为根据得对进行推导，得其中，根据及得到设定接收面板上的第m个天线阵元接收信号ym为zm是接收面板上第m个天线阵元上的噪声信号，且zm是均值为0、方差为的复高斯变量，sl表示发送UCA的第l个模态上的信号，为向下取整运算符。令则其中，表示从发射UCA到接收面板上的第m个天线阵元的第l模态的信道增益。所以接收信号ym可写为对ym做如下处理可得ym,l0为接收面板上的第m个天线阵元接收到的第l0模态的信号。对m求和可得其中，yl0表示接收UCA第l0模态值的接收信号。优选地，在中，为l阶贝塞尔函数，所述l阶贝塞尔函数的表达式为其中，τ是自变量。本专利技术实施例提供的基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法所产生的有益效果如下：实现了在发射UCA和接收UCA没有严格对准的情况下，对OAM电磁波进行模态分离。附图说明图1为本专利技术实施例提供的基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法的应用场景示意图；图2为本专利技术实施例提供的基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法的流程示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作具体的介绍。如图1所示，发射和接收的UCA是平行非同轴的，对应于发射UCA和接收UCA的平面分别是发射面板和接收面板，且发射UCA的投影位于接收UCA所在的平面。发射UCA的圆心为坐标系原点，发射UCA在XOY平面上，接收面板与发射面板平行，r和R分别是发射UCA和接收UCA的圆平面半径，d表示发射UCA和接收UCA的圆心的距离，dmn表示接收面板上第m个天线阵元到发射面板上第n个天线阵元的距离，其中，1≤m≤M，1≤n≤N，表示发射面板上的第n个天线阵元与它投影到接收面板所在平面的投影之间的距离，表示发射面板上的第n个天线阵元在接收面板上的投影与接收面板上的第m个天线阵元之间的距离，αr和αR分别表示发射面板和接收面板上的第一个天线阵元与X轴的夹角。参数θ表示发射UCA圆心与接收UCA圆心的连线在发射面板上的投影与X轴的夹角，φ表示发射UCA圆心与接收UCA圆心的连线与坐标轴Z的夹角。发射面板和接收面板上分别有N和M个天线阵元。发射面板上第n个天线阵元的信号用xn表示，如式(1)，其中，是方位角，为垂直于传播轴的平面上的角位置，对应于发射面板上的第n个天线阵元,是发射UCA的基础相位。符号sl表示发送UCA的第l个OAM模态上的信号,l是模态阶数，为下取整运算符。如图2所示，本专利技术实施例提供的基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法包括以下步骤：101，设定hmn为发射面板上的第n个天线阵元到接收面板上的第m个天线阵元的信道增益，如式(2)，其中，β为常数，λ为涡旋电磁波的波长，要想求得dmn，必须先求得102，求解hmn在直角坐标系中，发射面板上第n个天线阵元的坐标为接收面板圆心的坐标为其中接收面板上的第m个天线阵元的坐标为[Rcos(ψm+αR)+dsinφcosθ,Rsin(ψm+αR)+dsinφsinθ,dcosφ]。与发射UCA的方位角相似，ψm+αR是接收面板上第m个天线阵元的方位角，其中是接收UCA的基础相位，所以如式(3)，使用勾股定理，由可得dmn，如式(4)，其中，d＞＞R,d＞＞r，所以在式(2)中可令分母中的分子中的dmn是exp(-j2πdmn/λ)的一部分，在式(4)中使用了(当趋近于0时)使用(当趋近于0时)对分子中exp(-j2πdmn/λ)里面的dmn近似。式(4)中的这一部分可推导如式(5)，其中，ζm如式(6)，综上，hmn如式(7)，103，设定接收面板上第m个天线阵元接收到的信号为ym，如式(8)，其中，zm是接收面板上第m个天线阵元上的噪声信号，且zm是均值为0、方差为的复高斯变量。用表示从发射面板到接收面板上的第m个天线阵元上的第l模态的信道增益，如式(9)，在式(9)中，为变量，范围从0到2π，当n＝1时，当n＝N时，非常接近2π。为了方便表达，令ψ＝αr-ψm-αR+ζm,还用h、Cm,l分别替代了式(9)中的部分多项式。式(9)中的l阶贝塞尔函数如式(10)，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法，其特征在于，包括：利用

【技术特征摘要】
1.一种基于平行非同轴天线阵列UCA的涡旋电磁波的模态分离方法，其特征在于，包括：利用求解hmn，其中，hmn为发射UCA的第n个天线阵元到接收UCA的第m个天线阵元的信道增益，β为一个常数，j为虚数单位，λ为涡旋电磁波的波长，dmn表示接收面板上第m个天线阵元到发射面板上第n个天线阵元的距离，1≤m≤M，1≤n≤N，M为接收面板上天线阵元的个数，N为发射面板上天线阵元的个数，包括：根据发射面板上第n个天线阵元的坐标及[Rcos(ψm+αR)+dsinφcosθ,Rsin(ψm+αR)+dsinφsinθ,dcosφ]，得其中，接收面板的圆心的坐标[dsinφcosθ,dsinφsinθ,dcosφ]，αr表示发射面板上第一个天线阵元与坐标轴X之间的夹角，为发射UCA的基础相位，为发射UCA的方位角，d表示发射UCA和接收UCA的圆心的距离，θ表示发射UCA的圆心与...

【专利技术属性】
技术研发人员：程文驰，敬海越，匡亚茹，张海林，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61