论文部分内容阅读
随着无线通信技术的高速发展,人们对于数据传输速率的需求与日俱增。如何提高频谱利用率是通信领域亟需解决的问题。轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)的出现为解决这一问题提供了新的希望。轨道角动量模式之间相互正交,携带不同OAM的电磁波束可以为通信系统提供独立的信道,从而提高通信容量。在实际应用中,OAM波束中心黑洞和波束发散等问题极大地限制了其在远距离通信中的应用。为了解决这些问题,我们组提出了一种新的OAM波束——平面螺旋轨道角动量(Plane Spiral OAM,PSOAM)波束。这种OAM波束具有传统OAM波束特征,但是沿径向传播,可解决远场暗区问题,而且不同模态沿同方向传播。因此,平面螺旋OAM波束可为OAM的实际应用提供新的思路。小口径OAM天线不仅可以提升其在通信链路中的优势,而且更方便将其应用到移动设备中。本文针对现有平面螺旋OAM天线口径过大且结构复杂等问题,设计了基于介质谐振腔的小口径平面螺旋OAM天线,同时探索了其在无线通信中的应用。论文基于环形行波天线产生O A M波束理论和同轴线谐振腔结构,建立了基于介质谐振腔的平面螺旋OAM天线模型。通过理论分析、软件仿真、实物制作和实验验证,发现:这种基于介质谐振腔的OAM天线,无需添加任何外部辅助结构,其辐射波束沿径向传播,相位呈螺旋分布,很好地符合平面螺旋OAM波束的特征。与之前报道的基于环形空气腔的平面OAM天线相比,发射OAM模态为5的平面螺旋波束,这种天线口径可减小81.64%。利用平面螺旋OAM波束主瓣方向一致、易于接收以及不同平面螺旋OAM波束周向上相位不同这些特性,将平面螺旋OAM波束与MIMO系统结合,建立新型的PSOAM-MIMO系统,研究其与传统MIMO系统的信道容量差异。论文分析了该系统在直射信道下的信道容量;利用3GPP提出的空间信道模型(SCM)提供的实际信道参数,讨论了 PSOAM-MIMO系统在直射信道与散射信道共存的市区微小区情况下的性能。结果表明:PSOAM-MIMO系统在一定的距离内信道容量大于传统MIMO系统,信道容量增益主要来源于直射信道。平面螺旋OAM波束是OAM波束的一种特殊情况。由于其各模态主瓣方向一致,不同模态易于复用。这种实现简单的小口径平面螺旋OAM天线的出现,有助于未来将PSOAM波束引入波束赋形,多普勒分析等其他领域,使得OAM在电磁领域有更大的应用。