基于时域调制阵列的多模电磁涡旋天线研究

As the rapid development of broadband mobile data service, spectrum resource became a limit of the wireless communication industry. Radio vortex which introduces orbit angular momentum of the electromagnetic field as a new dimension of multiplexing. As orbit angular momentum eigenstates are orthogonal to each other, signals can now be multiplexed using the same frequency at the same time. Radio vortex has the potential to greatly increase the channel capacity, while reliefs the frequency resource shortages. This project explores array-processing schemes for electronically tuning onto desired vortex modes using antenna arrays. Filter design techniques founded on time modulated array signal processing are proposed for vortex-wave array processing. The theoretical analysis, simulation and modeling of the multi-mode vortex signal processors will be conducted. To minimize the antenna size and coupling, antenna array design will take the advantage of recent development of small antennas and decoupling techniques. The joint simulation of antenna and array signal processing algorithm will validate the theoretical predictions.

随着高速移动数据业务的飞速发展，频谱资源紧缺成为了限制无线通信产业发展的关键瓶颈。电磁旋窝技术引入轨道角动量作为新的维度，利用不同轨道角动量本征态之间相互正交的特性，可以实现同一频率同时传送多路复用信号，有可能极大地提高信道容量，同时解决频率资源短缺问题。本课题将采用时域调制阵列的理论方法，提出一种低成本、低复杂度的多模电磁涡旋产生与接收方法：分析并建立多模电磁涡旋的理论模型；研究多模式电磁涡旋产生与接收方法; 研究基于时域调制阵列信号处理技术的轨道角动量复用技术；研究用于电磁涡旋的去耦合小尺寸天线阵列；联合仿真加载了时域调制阵列算法的多模电磁涡旋天线。本项目的研究将为无线通信科技工作者在电磁涡旋多模复用研究领域提供学术参考，丰富多模电磁涡旋天线的技术方案，为进一步提高频谱利用效率提供支持。

近年来，随着智能终端的普及，使得无线数据业务得到了井喷式的发展。然而，无限资源的有限性、稀缺性大大地限制了无线通信技术的发展。另外，科学家们亦先后研究了时分（Time Division Multiple Access, TDMA）, 频分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA），码分多址Code Division Multiple Access, CDMA）、正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA）等多种技术用来提高频谱利用率。然而，目前的通信系统采用电磁场的幅度、相位、频率等线性动量来传输信息，并且在同一时间、同一码域、同一频点只能传输一路信息，应用高级编码技术，信道容量已经接近物理信道的极限。电磁涡旋是具有轨道角动量（Orbit Angular Momentum, OAM）的电磁波，也称作 OAM 波束。 理论上，OAM 具有无限的相互正交的模式态，如果利用这些正交的状态传输信息，就有望大幅度提高通信系统的容量和效率，这为研究无线通信频谱资源紧缺的问题提供了一个新的思路。.本课题主要有三个部分的研究内容，分别为低复杂度可重构电磁涡旋天线设计、多模时域电磁涡旋天线的信号处理方法以及天线与阵列信号算法联合仿真方法。一方面，针对重点研究内容多模时域天线信号处理提出了基于时间调制阵列的OAM多模发射机，其能够在同时同频产生多个OAM信号，且由于射频开关的引入大大地降低了OAM多模发射机由移相器网络带来的高开销问题。另一方面，针对阵列信号算法联合仿真问题，提出了OFDM-OAM传输系统模型及多层圆环波束汇聚模型，所提系统相比于纯OAM无线系统拥有更高的频谱效率；此外，针对OAM信号处理方法，提出了基于矩形阵列的OAM波束生成算法、基于功率分配的OAM波束优化算法及基于时间开关阵列的波束转向算法，所提算法在不同程度上提高OAM系统传输性能和成本效率。.对于未来的无线传输需求，OAM技术作为一种新型的正交传输技术，可以极大地提高未来视距传输场景下的信息传输速率；同时，本课题关于时域调制阵列的电磁涡旋研究，不仅能实现OAM正交传输，还能有效地降低射频端的硬件成本开销。