涡旋电磁波接收新技术研究

发布时间：2017-09-08 20:06

  本文关键词：涡旋电磁波接收新技术研究

  更多相关文章： 轨道角动量 完整孔径取样接收 部分孔径取样接收 信道因素 非理想接收条件

【摘要】：随着信息技术的日渐成熟,通信业务得到不断推动与发展,人们对通信服务的速率和带宽提出了越来越高的要求,有限频谱资源和日益增长的通信需求这一矛盾日益突显。尤其是在一些对带宽要求较高的业务上,如卫星对地通信、高速云计算等。在此背景下,一种能够更大程度上提高频谱利用率和通信速率的新通信技术——涡旋电磁波通信应运而生。携带轨道角动量( Orbital angular momentum, OAM)的涡旋电磁波,利用不同涡旋态之间的正交性可以有效提高频谱利用率和通信速率。近年来,基于OAM的涡旋电磁波通信越来越引起研究者的关注。涡旋电磁波具有中心相位奇点和暗中空结构的辐射场,在实际应用中,尤其是射频涡旋电磁波,由于电磁波的发散特性,随着通信距离的增加,其中心黑斑越来越大。波束的扩散无疑增加接收端的难度和成本。更重要的是,理论上不同涡旋态的正交性是基于整个完整孔径的接收才得以成立。当波束扩散无法保证整个孔径接收时,不同涡旋态的正交性得以破坏。为了解决这一问题,论文研究实际可行的涡旋电磁波接收新技术。在涡旋电磁波接收技术研究上,采用与OAM空间相位分布相逆的装置,如螺旋相位板、全息板等,可以有效接收涡旋电磁波。但是随着传输距离的增加,由于波束的发散性,即使是短距离通信,也没有对应的大孔径接收天线。因此在射频域一般采用完整孔径的采样接收技术。即在完整孔径上均匀采样,用离散的小孔径构成完整的大孔径。实际应用中,采样天线的放置,接收与发射轴的不对准等非理想接收条件以及信道噪声对于涡旋电磁波的接收有很大的影响。论文在分析涡旋电磁波的研究意义和国内外研究现状基础上,对传统的基于完整孔径采样接收(Whole Aperture Sampling Receiving, WASR)的OAM射频通信进行了链路仿真,主要针对信道因素和非理想接收条件因素,旨在研究各个因素对WASP的影响。其次,针对波束发散使得完整孔径接收技术受限这一问题,提出了基于部分角孔径采样接收技术(Patial Aperture Sampling Receiving, PASR)。从理论上分析了角孔径大小与正交OAM模态的选择、OAM复用链路与采样天线的数量的关系等,并通过Matlab的Simulink模块对信道因素和非理想接收因素进行了仿真。此外,通过性能的比较,分析讨论了PASR相对于WASR的优势及适用条件。最后,搭建了基于部分角孔径采样接收的射频OAM复用通信链路实验平台,验证基于PASR的OAM射频通信的可行性。论文提出的部分角孔径采样接收技术,可以在小孔径接收的同时保证不同涡旋态电磁波的正交性,在一定程度上解决了射频涡旋电磁波接收难题,为射频涡旋电磁波通信的实用化提出了一个可实用的借鉴思路。
【关键词】：轨道角动量 完整孔径取样接收 部分孔径取样接收 信道因素 非理想接收条件
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN927
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 课题背景11-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 涡旋波的产生14
• 1.2.2 涡旋波的接收14-19
• 1.3 研究意义与研究内容19-23
• 1.3.1 研究意义19-20
• 1.3.2 研究内容20-21
• 1.3.3 主要创新点21-23
• 2 OAM模式解复用接收技术理论研究23-29
• 2.1 OAM模态的正交性以及有限孔径对OAM谱的展宽23-24
• 2.2 完整孔径取样接收24-25
• 2.3 部分角孔径接收(PAAR)理论25-26
• 2.4 部分孔径取样接收(PASR)理论26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 3 基于WASR的OAM射频通信研究29-51
• 3.1 完整孔径取样接收概念与方案29-30
• 3.2 完整孔径取样接收仿真原理30-34
• 3.3 基于WASR的OAM通信链路仿真34-48
• 3.3.1 信道因素影响34-42
• 3.3.1.1 AWGN信道对通信系统的影响34-36
• 3.3.1.2 AWGN+Rician信道对通信系统的影响36-42
• 3.3.2 非理想接收条件对OAM通信的影响42-48
• 3.3.2.1 偏心因素42-44
• 3.3.2.2 旋转因素44-45
• 3.3.2.3 接收天线径向偏移因素45-46
• 3.3.2.4 接收天线角向偏转因素46-48
• 3.3.2.5 接收天线口径因素48
• 3.4 本章小结48-51
• 4 基于PASR的OAM射频通信研究51-69
• 4.1 部分孔径取样接收概念与方案51-52
• 4.2 部分孔径取样接收仿真原理52
• 4.3 基于PASR的OAM通信链路仿真52-66
• 4.3.1 信道因素影响52-57
• 4.3.1.1 AWGN信道对通信系统的影响52-54
• 4.3.1.2 AWGN+Rician信道对通信系统的影响54-57
• 4.3.2 非理想接收条件对通信系统的影响57-66
• 4.3.2.1 发射波束模式不纯净因素57-58
• 4.3.2.2 偏心因素58-61
• 4.3.2.3 旋转因素61-63
• 4.3.2.4 接收天线径向偏移因素63-64
• 4.3.2.5 接收天线角向偏转因素64-66
• 4.2.2.6 接收天线口径因素66
• 4.4 本章小结66-69
• 5 基于PASR的OAM自由空间通信设计与实验69-77
• 5.1 部分孔径取样接收链路设计方案69-74
• 5.1.1 实验方案69-72
• 5.1.2 天线近场自动测量系统的设计和制作72-73
• 5.1.3 部分接收装置设计与制作73-74
• 5.2 基于PASR的OAM复用实验结果与分析74-75
• 5.3 本章小结75-77
• 6 总结与展望77-79
• 6.1 总结77-78
• 6.2 展望78-79
• 参考文献79-85
• 作者简历85

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本文编号：816047