旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)螺旋相位板將發(fā)射端電磁波的不同軌道角動(dòng)量狀態(tài)數(shù)轉(zhuǎn)換成接收端電磁波的不同頻偏，進(jìn)而在接收端可以形成正交頻分復(fù)用信號(hào)。將軌道角動(dòng)量電磁波由空域接收轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)域正交接收，可以克服傳統(tǒng)具有軌道角動(dòng)量電磁波波束角造成的自由空間發(fā)散問題，實(shí)現(xiàn)電磁波軌道角動(dòng)量長距離、大容量、高頻譜效率傳輸問題。本發(fā)明中，基帶信號(hào)經(jīng)過調(diào)制、上變頻到射頻后饋入發(fā)射天線，經(jīng)過透鏡匯聚后入射到螺旋相位板產(chǎn)生軌道角動(dòng)量電磁波，之后由旋轉(zhuǎn)裝置控制螺旋相位板旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的軌道角動(dòng)量電磁波。接收端接收部分電磁波后，下變頻后送入解調(diào)器，采用正交頻分復(fù)用信號(hào)解調(diào)方法完成解調(diào)。
【專利說明】
旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁波軌道角動(dòng)量(OAM)，自1992年由Alien等人用麥克斯韋方程組理論推導(dǎo)，并 在1994年由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后便開始在學(xué)術(shù)界得到廣泛的關(guān)注和深度研究。電磁波的角動(dòng)量包 括自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量兩部分。自旋角動(dòng)量對(duì)應(yīng)電磁波的極化，它存在左右兩種自由 度，自20世紀(jì)50年代初被提出來W后便得到了迅速發(fā)展。如今關(guān)于極化的研究和產(chǎn)品已經(jīng) 非常成熟。而作為一種新的自由度，電磁波的軌道角動(dòng)量，在圍繞傳播軸方向呈螺旋狀前 進(jìn)。
[0003] 電磁波自馬可尼時(shí)代開始既已使用振幅作為信息傳輸手段。其中，頻率表示振幅 變化的快慢，而相位則表示振幅在什么時(shí)間變化。利用電磁波振幅作為信息載體的傳輸手 段至今沒有變化。電磁波的到底是什么，人們至今對(duì)其認(rèn)識(shí)也只停留在馬可尼時(shí)代。然而， 軌道角動(dòng)量作為電磁波的又一典型物理量，給人們提供了一種新的視角去研究和開發(fā)電磁 波。它在很多方面都存在潛在的應(yīng)用。在傳輸方面，電磁波不同軌道角動(dòng)量之間相互正交， 通過復(fù)用不同的軌道角動(dòng)量，并經(jīng)由同一個(gè)口徑發(fā)射或接收，可W極大提高傳輸頻譜效率。 在天文方面，可W利用具有軌道角動(dòng)量電磁波實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁層滿旋特性的探測。在粒子操控 方面，具有軌道角動(dòng)量的光波具有光學(xué)扳手的作用，可W實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的旋轉(zhuǎn)。因此，區(qū)別于 常規(guī)電磁波，軌道角動(dòng)量為電磁波提供了一種新的維度，給人們認(rèn)識(shí)電磁波提供了新的視 角，其在傳輸和探測等方面的必定存在重大應(yīng)用價(jià)值。
[0004] 在短距離通信中，接收端必須將OAM電磁波整個(gè)空域的能量全部接收下來后才能 區(qū)分不同OAM電磁波。然而，由于具有軌道角動(dòng)量的電磁波波束存在能量奇點(diǎn)，其波束呈現(xiàn) 環(huán)狀分布，并且環(huán)形能量(能量環(huán)）的半徑隨著傳輸距離的增加而不斷擴(kuò)。長距離傳輸中如 果采用類似上述短距離通信的全空域接收方式，所需天線口徑將非常大。因此，此時(shí)接收端 無法接收全部電磁波能量，只能接收部分電磁波能量，運(yùn)對(duì)長距離OAM電磁波傳輸中不同軌 道角動(dòng)量信號(hào)的正確接收造成嚴(yán)重困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決背景中所述的自由空間電磁波軌道角動(dòng)量傳 輸中由于波束發(fā)散造成的空域接收困難問題。
[0006] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng) 能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、大容量、高頻譜效率的電磁波軌道角動(dòng)量傳輸。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系 統(tǒng)，包括:信號(hào)發(fā)生器子系統(tǒng)，所述信號(hào)發(fā)生器子系統(tǒng)包括:調(diào)制器，用于對(duì)所述基帶數(shù)據(jù)進(jìn) 行中頻調(diào)制;射頻發(fā)射單元，用于將中頻信號(hào)的上變頻為相應(yīng)頻點(diǎn)的射頻信號(hào);發(fā)射天線子 系統(tǒng)，所述發(fā)射天線子系統(tǒng)包括:發(fā)射天線，用于將傳輸線上的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為自由空間傳播 的電磁波;透鏡，所述電磁波通過所述透鏡準(zhǔn)直后減小發(fā)散角；螺旋相位板，用于將入射的 所述電磁波變成具有軌道角動(dòng)量的電磁波;旋轉(zhuǎn)裝置，用于控制所述螺旋相位板旋轉(zhuǎn)，W產(chǎn) 生旋轉(zhuǎn)的軌道角動(dòng)量電磁波，進(jìn)而送入自由空間中傳播;信號(hào)接收機(jī)子系統(tǒng)，所述信號(hào)接收 機(jī)子系統(tǒng)包括:接收天線，用于將自由空間中傳播的所述旋轉(zhuǎn)的軌道角動(dòng)量電磁波轉(zhuǎn)換成 傳輸線中的導(dǎo)行波;射頻接收單元，用于將所述接收天線接收的射頻信號(hào)下變頻到中頻;解 調(diào)器，采用正交頻分復(fù)用(0抑M)信號(hào)解調(diào)方法完成對(duì)中頻信號(hào)的解調(diào)。
[000引本發(fā)明實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，信息數(shù)據(jù)首先經(jīng)過信號(hào)發(fā) 射機(jī)，信號(hào)發(fā)射機(jī)完成對(duì)基帶數(shù)據(jù)調(diào)制和上變頻后送入天線單元，天線產(chǎn)生相應(yīng)的電磁波 波束，該電磁波束經(jīng)過透鏡匯聚之后入射到旋轉(zhuǎn)的螺旋相位板上，該螺旋相位板的轉(zhuǎn)速由 旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行控制，產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)軌道角動(dòng)量的電磁波，不同軌道角動(dòng)量的電磁波經(jīng)過旋 轉(zhuǎn)后在接收端將產(chǎn)生不同的頻偏，該旋轉(zhuǎn)的不同軌道角動(dòng)量電磁波經(jīng)過自由空間傳播之后 到達(dá)接收端，接收端用天線將該電磁波的部分能量接收下來，之后送入信號(hào)接收機(jī)，信號(hào)接 收機(jī)對(duì)射頻信號(hào)的下變頻后送入解調(diào)器，解調(diào)器采用OFDM信號(hào)解調(diào)方法解調(diào)出基帶信號(hào)， 從而實(shí)現(xiàn)電磁波在自由空間中的大容量、長距離傳輸，簡化了接收難度，大幅度地提高了頻 譜效率。
[0009] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)還可W具有 W下附加的技術(shù)特征：
[0010] 可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述電磁波可W包括光波、微波、毫米波W及 太赫茲波中的一種或多種。
[0011] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)所述具有軌道角動(dòng)量的電磁波的原理 為旋轉(zhuǎn)天線口徑面上的相位分布。
[0012] 可替代性地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述旋轉(zhuǎn)裝置可W是電機(jī)或者其他類型 的任意機(jī)械旋轉(zhuǎn)。
[0013] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述發(fā)射天線子系統(tǒng)為至少一個(gè)。
[0014] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述發(fā)射天線和所述接收天線為卿趴天線、 拋物面天線、卡塞哥倫天線、貼片天線、陣列天線等天線中的任意一種。
[0015] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述螺旋相位板的制作材料包括高密度聚 乙締、聚丙締、TPX等常用電磁波材料中的一種或多種。
[0016] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可W通過勞伯透鏡或者印刷電路板(PCB)打 孔制作所述螺旋相位板。
[0017] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0018] 本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0019] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0021 ]圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的螺旋相位板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的采用螺旋相位板實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軌道角動(dòng)量的示意圖；
[0023] 圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的不同旋轉(zhuǎn)速率和不同軌道角動(dòng)量情況下對(duì)應(yīng)的接 收端信號(hào)頻移示意圖；W及
[0024] 圖6為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量多路復(fù)用傳輸?shù)氖疽鈭D。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0026] 下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系 統(tǒng)。
[0027] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 如圖1所示，該無線傳輸系統(tǒng)10包括:信號(hào)發(fā)生器子系統(tǒng)100、發(fā)射天線子系統(tǒng)200 和信號(hào)接收機(jī)子系統(tǒng)300。其中，信號(hào)發(fā)生器子系統(tǒng)100包括:調(diào)制器101、射頻發(fā)射單元102; 發(fā)射天線子系統(tǒng)200包括:發(fā)射天線201、透鏡202、螺旋相位板203、旋轉(zhuǎn)裝置204;信號(hào)接收 機(jī)子系統(tǒng)300包括:接收天線301、射頻接收單元302、解調(diào)器303。
[0029] 具體地，調(diào)制器101用于對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行中頻調(diào)制。射頻發(fā)射單元102用于將中頻 信號(hào)上變頻為相應(yīng)頻點(diǎn)的射頻信號(hào)。發(fā)射天線201用于將傳輸線上的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為自由空 間傳播的電磁波。電磁波通過透鏡202準(zhǔn)直后減小發(fā)散角。螺旋相位板203用于將入射的電 磁波變成具有軌道角動(dòng)量的電磁波。旋轉(zhuǎn)裝置204用于控制螺旋相位板203旋轉(zhuǎn)，W產(chǎn)生旋 轉(zhuǎn)的軌道角動(dòng)量電磁波，進(jìn)而送入自由空間中傳播。接收天線301用于將自由空間中傳播的 旋轉(zhuǎn)的軌道角動(dòng)量電磁波轉(zhuǎn)換成傳輸線中的導(dǎo)行波。射頻接收單元302用于將接收天線接 收的射頻信號(hào)下變頻到中頻。解調(diào)器根據(jù)發(fā)射端不同軌道角動(dòng)量電磁波經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的 不同頻偏，采用OFDM信號(hào)解調(diào)方法完成對(duì)接收信號(hào)的解調(diào)，W恢復(fù)出原始基帶比特?cái)?shù)據(jù)。
[0030] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，將電磁波的軌道角動(dòng)量旋轉(zhuǎn)起來，從而在接收端產(chǎn)生相應(yīng) 的頻移。在旋轉(zhuǎn)速度相同的情況下，具有不同軌道角動(dòng)量的電磁波在接收端產(chǎn)生的頻移不 同，且頻率可W相互正交，將基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到不同的軌道角動(dòng)量上，可W達(dá)到類似(FDM信號(hào) 的效果，并且在理論上軌道角動(dòng)量的值可W取到無限大，從而能夠大幅度地提高了傳輸?shù)?頻譜效率。
[0031] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電磁波可W包括光波、微波、毫米波W及太赫茲波中的 一種或多種。進(jìn)而本發(fā)明實(shí)施例的基于旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量的無線傳輸系統(tǒng)，可廣泛應(yīng) 用于光波、微波、毫米波和太赫茲等波段的無線傳輸系統(tǒng)中，通過旋轉(zhuǎn)將發(fā)射端具有不同軌 道角動(dòng)量的電磁波轉(zhuǎn)換成接收端不同頻偏的電磁波，從而實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量電磁波的全空域 接收到時(shí)域單點(diǎn)正交接收的轉(zhuǎn)變，使長距離傳輸成為可能，具有傳輸容量大，靈活方便等特 點(diǎn)。
[0032] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射天線子系統(tǒng)200中，旋轉(zhuǎn)具有軌道角動(dòng) 量的電磁波的原理為旋轉(zhuǎn)天線口徑面上的相位分布，即通過旋轉(zhuǎn)螺旋相位板203，動(dòng)態(tài)改變 天線口徑面上的相位分布。
[0033] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射天線子系統(tǒng)200為至少一個(gè)。接收的信 號(hào)可W是一個(gè)天線系統(tǒng)發(fā)射的單路信號(hào)，也可W是多個(gè)天線系統(tǒng)發(fā)射的多路信號(hào)。若發(fā)射 端發(fā)射的是具有不同軌道角動(dòng)量電磁波的信號(hào)，則接收端接收到的將是一組具有不同頻移 的電磁波信號(hào)。具體地，在信號(hào)接收機(jī)子系統(tǒng)300中，天線接收環(huán)形能量上的部分能量信號(hào)， 信號(hào)處理機(jī)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行下變頻到中頻后，由解調(diào)器采用OFDM信號(hào)解調(diào)方法恢復(fù)出基帶數(shù) 據(jù)。
[0034] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射天線和接收天線為卿趴天線、拋物面天線、卡塞哥 倫天線、貼片天線、陣列天線等任意一種天線。
[0035] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，螺旋相位板的制作材料包括高密度聚乙締、 聚丙締、TPX等電磁波材料中的一種或多種，并且可W通過勞伯透鏡、PCB打孔、螺旋透鏡等 任意方式制作螺旋相位板，W實(shí)現(xiàn)將球面波或者平面波轉(zhuǎn)換成具有軌道角動(dòng)量的電磁波。
[0036] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，首先基帶信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后上變頻得到射頻信號(hào)，其次旋轉(zhuǎn) 具有軌道角動(dòng)量電磁波的原理即是旋轉(zhuǎn)天線口徑面上的相位分布，其實(shí)現(xiàn)可W有多種方 式，如:在天線口徑處放置螺旋相位板203，用電機(jī)或其他機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置204帶動(dòng)螺旋相位板 203旋轉(zhuǎn)。發(fā)射天線子系統(tǒng)200可W是單路天線產(chǎn)生一種軌道角動(dòng)量信號(hào)，也可W是多路天 線同時(shí)產(chǎn)生多路軌道角動(dòng)量信號(hào)。對(duì)單個(gè)天線的相位面的旋轉(zhuǎn)速率可W保持恒定也可W隨 時(shí)變化;對(duì)于不同的天線的相位面的旋轉(zhuǎn)速率可W相同也可W不相同，最后天線將接收環(huán) 形能量上的部分能量信號(hào)，信號(hào)處理機(jī)對(duì)該信號(hào)先進(jìn)行下變頻到中頻信號(hào)，之后再利用 OFDM信號(hào)的解調(diào)方法恢復(fù)出基帶數(shù)據(jù)。
[0037] 綜上所述，傳輸系統(tǒng)對(duì)長距離大容量的傳輸需求越來越大，基于電磁波軌道角動(dòng) 量的傳輸方式可W極大提高傳輸容量。但是，由于具有軌道角動(dòng)量的電磁波波束存在能量 奇點(diǎn)，其能量分布在一個(gè)圓環(huán)上。在進(jìn)行長距離傳輸?shù)臅r(shí)候，其能量環(huán)的半徑會(huì)越來越大， 接收端無法接收全部電磁波能量，只能接收部分電磁波能量，而在長距離傳輸后進(jìn)行部分 接收時(shí)對(duì)不同軌道角動(dòng)量的檢測非常困難。本發(fā)明實(shí)施例提出的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量的 無線傳輸系統(tǒng)，通過在發(fā)射端旋轉(zhuǎn)天線口徑的相位分布，讓電磁波的軌道角動(dòng)量旋轉(zhuǎn)起來， 進(jìn)而在接收端產(chǎn)生不同的頻移，其利用軌道角動(dòng)量的方法是通過旋轉(zhuǎn)電磁波的軌道角動(dòng) 量，將不同的軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)換為不同的接收頻率，降低了接收難度，使基于電磁波軌道角動(dòng) 量的大容量長距離傳輸成為可能。
[0038] 圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖。
[0039] 如圖2所示，W毫米波波段為例，該系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器子系統(tǒng)、發(fā)射天線子系 統(tǒng)和信號(hào)接收機(jī)子系統(tǒng)。在本發(fā)明實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器子系統(tǒng)中完成對(duì)基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到 中頻，再經(jīng)過射頻單元實(shí)現(xiàn)把中頻信號(hào)上變頻為相應(yīng)頻點(diǎn)的射頻信號(hào)。該射頻信號(hào)由傳輸 線饋入到發(fā)射天線子系統(tǒng)中，發(fā)射天線子系統(tǒng)首先由常規(guī)天線將傳輸線中的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換成 自由空間中的電磁波發(fā)射出去，而福射出的電磁波經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后由位于天線口徑處的螺旋 相位板變換成具有軌道角動(dòng)量的電磁波，然后通過旋轉(zhuǎn)裝置將螺旋相位板旋轉(zhuǎn)起來，進(jìn)而 產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)軌道角動(dòng)量的電磁波。該電磁波在自由空間中傳播后由信號(hào)接收機(jī)子系統(tǒng)接 收。在信號(hào)接收子系統(tǒng)中，首先由常規(guī)天線將由具有軌道角動(dòng)量的電磁波所形成的能量環(huán) 上的部分能量接收下來，之后送入信號(hào)處理機(jī)完成對(duì)射頻信號(hào)的下變頻、中頻信號(hào)的解調(diào) 恢復(fù)出基帶數(shù)據(jù)，從而達(dá)到傳輸?shù)哪康摹Ｔ诒景l(fā)明中，除了螺旋相位板需要與發(fā)射天線的口 徑中屯、W及透鏡的中屯、對(duì)準(zhǔn)外，其他各部件不需要準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，極大地降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難 度。系統(tǒng)的各個(gè)部分說明如下：
[0040] 1.信號(hào)發(fā)生器子系統(tǒng)
[0041] (1)調(diào)制器:根據(jù)編碼后的基帶數(shù)據(jù)，去控制載波信號(hào)的參數(shù)，如幅度、頻率、相位 或者脈沖寬度等，使其按照基帶信號(hào)變化。調(diào)制方式可W采用任何一種模擬或者數(shù)字調(diào)制 方式。
[0042] (2)射頻發(fā)射單元:將基帶調(diào)制后的中頻信號(hào)上變頻到所需頻點(diǎn)的射頻信號(hào)。
[0043] 2.發(fā)射天線子系統(tǒng)
[0044] (1)發(fā)射天線:發(fā)射天線完成將傳輸線中的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換成自由空間中的電磁波。其 形式可W是各種各樣的類型，如：卿趴天線、拋物面天線、卡塞哥倫天線、貼片天線、陣列天 線等。
[0045] (2)透鏡:對(duì)入射的電磁波進(jìn)行準(zhǔn)直，擴(kuò)展其波束寬度，減小波束發(fā)散角。
[0046] (3)螺旋相位板:螺旋相位板主要實(shí)現(xiàn)將球面波或者平面波轉(zhuǎn)換成具有軌道角動(dòng) 量的電磁波。其制作材料可W是各種適用于電磁波的材料，如:高密度聚乙締、聚丙締、TPX 等，其制作方式也可W采用多種方式，如勞伯透鏡、PCB打孔、螺旋透鏡等。
[0047] (4)旋轉(zhuǎn)裝置:用來實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋相位板的旋轉(zhuǎn)。可W采用電機(jī)或者其他類型任意機(jī) 械旋轉(zhuǎn)方式。
[004引3.信號(hào)處理器子系統(tǒng)
[0049] (1)接收天線:將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)換成傳輸線中的導(dǎo)行波。其形式可W是各 種各樣的類型，如:卿趴天線、拋物面天線、卡塞哥倫天線、貼片天線、陣列天線等。
[0050] (2)射頻接收單元:將天線接收下來的射頻信號(hào)下變頻到中頻。
[0051] (3)解調(diào)器:將載波信號(hào)剝離，恢復(fù)出基帶信號(hào)。
[0052] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)電磁波的軌道角動(dòng)量，將不 同的軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)換為不同的接收頻率。從而降低了接收難度，使基于電磁波軌道角動(dòng)量 的大容量長距離傳輸成為可能。
[0053] 下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的無線傳輸系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0054] 如圖3所示，若采用螺旋相位板方式產(chǎn)生電磁波軌道角動(dòng)量，則對(duì)于波長為A、頻率 為f的電磁掘，用析射率為n的介質(zhì)，產(chǎn)牛軌道角動(dòng)量數(shù)為1的電磁波，所需的螺旋高度為：
[0化5]
[0056] 具甲，Ah刃螺兩的局巧，C刃光化。
[0057] 為了旋轉(zhuǎn)電磁波的軌道角動(dòng)量，需要采用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置將螺旋相位板旋轉(zhuǎn)起來，其原 理如圖4所示:電機(jī)3通過皮帶或齒輪2帶動(dòng)螺旋相位板1旋轉(zhuǎn)。
[005引如圖5所示，為不同旋轉(zhuǎn)速度和不同軌道角動(dòng)量對(duì)應(yīng)情況下所產(chǎn)生的信號(hào)頻移。其 中，在低轉(zhuǎn)速情況下，轉(zhuǎn)速和軌道角動(dòng)量模式數(shù)與所產(chǎn)生的信號(hào)頻移有如下關(guān)系：
[0化9] Af = I. n，（2)
[0060] 其中，Af為對(duì)應(yīng)的頻移，I為軌道角動(dòng)量模式數(shù)，n為轉(zhuǎn)速。
[0061] 具體地，如圖2所示，為基于旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量的無線傳輸系統(tǒng)原理圖（W毫 米波波段為例）?；鶐?shù)據(jù)源1的比特信息，經(jīng)過信源編碼器2壓縮和信道編碼器3加入糾錯(cuò) 信息之后送入調(diào)制器4,調(diào)制器根據(jù)編碼后的基帶數(shù)據(jù)改變載波的幅度、頻率或者相位等信 息，之后由射頻單元5將中頻信號(hào)上變頻到所需的射頻頻點(diǎn)。射頻信號(hào)通過傳輸線饋入到發(fā) 射天線6,發(fā)射天線將傳輸線中的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換成自由空間的電磁波福射出去，電磁波波束經(jīng) 過透鏡7匯聚后減小了發(fā)散角，之后入射到螺旋相位板8，螺旋相位板的螺旋高度由公式（1) 計(jì)算得到，螺旋相位板由電機(jī)或其他任意機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置9帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的軌道角 動(dòng)量。該電磁波經(jīng)過自由空間傳輸后，其部分能量由接收端的天線10接收并送入到射頻單 元11，射頻單元將其下變頻到中頻后送入解調(diào)器12，解調(diào)器將中頻載波剝離，采用OFDM信號(hào) 解調(diào)方法恢復(fù)出編碼后的基帶數(shù)據(jù)，之后由信道解碼器13完成對(duì)信源數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)和檢錯(cuò)， 接著由信源解碼器14完成信源解碼，從而恢復(fù)出原始基帶信號(hào)15,完成一次傳輸過程。
[0062] 如圖6所示，為基于旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量的多路復(fù)用傳輸系統(tǒng)原理圖（W毫米波 波段為例）。信號(hào)發(fā)生器模塊1同時(shí)產(chǎn)生多路發(fā)射信號(hào)，每一路發(fā)射信號(hào)經(jīng)過一個(gè)對(duì)應(yīng)的天 線發(fā)射子模塊2產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量信號(hào)，各個(gè)子模塊2傳輸?shù)腛AM均不相同， 多路信號(hào)經(jīng)過多個(gè)合路器模塊3進(jìn)行信號(hào)合并，最終由同一個(gè)口徑發(fā)射出去;經(jīng)過自由空間 傳播之后，在接收端，由天線4將多路信號(hào)同時(shí)接收下來，之后送入信號(hào)接收機(jī)模塊5將多路 信號(hào)分離解調(diào)解碼并恢復(fù)出原始基帶信號(hào)。
[0063] 本發(fā)明實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，信息數(shù)據(jù)首先經(jīng)過信號(hào)發(fā) 射機(jī)，信號(hào)發(fā)射機(jī)完成對(duì)基帶數(shù)據(jù)的編碼和調(diào)制，之后將射頻信號(hào)通過數(shù)據(jù)線送入天線單 元，天線產(chǎn)生相應(yīng)的電磁波波束，該電磁波束經(jīng)過透鏡匯聚之后入射到旋轉(zhuǎn)的螺旋相位板 上，該螺旋相位板的轉(zhuǎn)速由旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行控制，產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)軌道角動(dòng)量的電磁波，該電磁 波經(jīng)過自由空間傳播之后到達(dá)接收端，接收端用天線將該電磁波的部分能量接收下來，之 后送入信號(hào)接收機(jī)，信號(hào)接收機(jī)完成對(duì)射頻信號(hào)的下變頻、解調(diào)和解碼，最后恢復(fù)出基帶信 號(hào)，從而可W實(shí)現(xiàn)電磁波在自由空間中的大容量、長距離傳輸，降低了接收難度，大幅度提 高了傳輸?shù)念l譜效率。
[0064] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"中屯、"、"縱向"、"橫向"、"長度"、"寬度"、 "厚度"、"上"、"下"、"前"、"后左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底""內(nèi)"、"外"、"順時(shí) 針"、"逆時(shí)針"、"軸向"、"徑向"、"周向"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或 位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必 須具有特定的方位、W特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0065] 此外，術(shù)語"第一"、"第二"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性 或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可W明示或者 隱含地包括至少一個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，"多個(gè)"的含義是至少兩個(gè)，例如兩個(gè)，= 個(gè)等，除非另有明確具體的限定。
[0066] 在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語"安裝"、"相連"、"連接"、"固定"等 術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可W是固定連接，也可W是可拆卸連接，或成一體;可W是機(jī)械連 接，也可W是電連接;可W是直接相連，也可W通過中間媒介間接相連，可W是兩個(gè)元件內(nèi) 部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 而言，可W根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0067] 在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征"上"或"下"可W 是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在 第二特征"之上"、"上方"和"上面"可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"可W是第 一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0068] 在本說明書的描述中，參考術(shù)語"一個(gè)實(shí)施例"、"一些實(shí)施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不 必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可W在任 一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中W合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技 術(shù)人員可W將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例W及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié) 合和組合。
[0069] 盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可W理解的是，上述實(shí)施例是示例 性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可W對(duì)上述 實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括： 信號(hào)發(fā)生器子系統(tǒng)，所述信號(hào)發(fā)生器子系統(tǒng)包括：調(diào)制器，用于對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行中頻調(diào) 制;射頻發(fā)射單元，用于將中頻信號(hào)的上變頻為相應(yīng)頻點(diǎn)的射頻信號(hào)； 發(fā)射天線子系統(tǒng)，所述發(fā)射天線子系統(tǒng)包括:發(fā)射天線，用于將傳輸線上的導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換 為自由空間傳播的電磁波;透鏡，所述電磁波通過所述透鏡準(zhǔn)直后減小發(fā)散角；螺旋相位 板，用于將入射的所述電磁波變成具有軌道角動(dòng)量的電磁波;旋轉(zhuǎn)裝置，用于控制所述螺旋 相位板旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的軌道角動(dòng)量電磁波，進(jìn)而送入自由空間中傳播；以及 信號(hào)接收機(jī)子系統(tǒng)，所述信號(hào)接收機(jī)子系統(tǒng)包括:接收天線，用于將自由空間中傳播的 所述旋轉(zhuǎn)的軌道角動(dòng)量電磁波轉(zhuǎn)換成傳輸線中的導(dǎo)行波;射頻接收單元，用于將所述接收 天線接收的射頻信號(hào)下變頻到中頻;解調(diào)器，所述發(fā)射天線子系統(tǒng)同時(shí)產(chǎn)生多路具有軌道 角動(dòng)量的電磁波，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后在接收端產(chǎn)生不同的頻偏，所述解調(diào)器采用正交頻分復(fù)用 (OFDM)信號(hào)的解調(diào)方法完成對(duì)信號(hào)的解調(diào)。2. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁波 包括光波、微波、毫米波以及太赫茲波中的一種或多種。3. 如權(quán)利要求1中所述的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，旋轉(zhuǎn)所述 具有軌道角動(dòng)量的電磁波的原理為旋轉(zhuǎn)天線口徑面上的相位分布。4. 如權(quán)利要求3所示的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)裝 置可以是電機(jī)或者其他類型的任意機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置。5. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射天 線子系統(tǒng)為至少一個(gè)。6. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射天 線和所述接收天線為喇叭天線、拋物面天線、卡塞哥倫天線、貼片天線、陣列天線等任意一 種天線。7. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述螺旋相 位板的制作材料包括高密度聚乙烯、聚丙烯材、聚甲基戊烯(TPX)等材料中的一種或多種。8. 如權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)電磁波軌道角動(dòng)量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述螺旋相 位板可以采用任意形狀和材料產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的電磁波。
【文檔編號(hào)】H04L27/26GK105978840SQ201610280763
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年4月28日
【發(fā)明人】張超, 馬路
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)