渦旋電磁波在軍事無線通信中的應用*

晉 軍,邵 尉,孟凡秋

(解放軍理工大學通信工程學院,江蘇南京210007)

渦旋電磁波在軍事無線通信中的應用*

晉 軍,邵 尉,孟凡秋

(解放軍理工大學通信工程學院,江蘇南京210007)

渦旋電磁波的OAM復用是一種把量子力學中的軌道角動量理論應用到無線通信領域的新型技術,擁有高效頻譜利用和抗干擾兩項引人注目的特性。介紹了國內外研究現狀,對渦旋電磁波的產生與接收、OAM復用對通信容量的影響、OAM模式的復用和解復用、大氣的非均勻性和電離層對渦旋電磁波的影響、渦旋電磁波抗干擾能力等研究熱點進行了概括。指出了研究、分析OAM復用和抗干擾性能以及探索有效的OAM通信方法的重要意義。

軌道角動量 復用 抗干擾

0 引 言

根據麥克斯韋的經典電磁理論,電磁輻射同時載有能量和動量,而動量又包括線動量和角動量。當波束含有與角向相關的位相分布時,會具有與角向位相分布有關的角動量,稱之為軌道角動量(OAM,Orbital Angular Momentum)。普通電磁波的軌道角動量模式為0,其波前為均勻平面波。如果電磁波的OAM模式不為0,其為螺旋狀等相位面的特殊波前。具有螺旋狀相位波前的這種特殊電磁波,我們稱其為渦漩電磁波。

渦旋電磁波的OAM復用是一種把量子力學中的軌道角動量理論應用到無線通信領域的新型技術。國外將OAM運用到無線通信領域方面的實驗已引起各國學術界的關注。

1 研究意義

渦旋波束的相位波前繞渦旋中心旋轉一周,相位改變2π,稱其模式為1,如圖1(b)所示。渦旋波束的相位波前繞渦旋中心旋轉一周,相位改變4π,稱其模式為2,如圖1(c)所示。渦旋波束的相位波前繞渦旋中心旋轉一周,相位改變6π,稱其模式為3,如圖1(d)所示。

圖1 不同OAM模式渦旋波束的相位波前Fig.1 Rotational phase front of an OAM radio beam

同一頻率的電磁波擁有無窮多種模式,使得渦旋電磁波在通信中具有頻譜利用率高、抗干擾的特點。將其用于軍事通信具有獨特的優勢。

軍事通信系統是現代戰爭指揮控制的重要神經系統。OAM復用可以提高頻譜利用效率,而頻譜資源是重要的戰場資源。軍事應用中的無線業務對無線頻譜資源的需求以驚人的速度增長。當網絡中需要建立的鏈路越多時,通信設備也越多,網絡需要的頻點也就越多,對無線頻譜資源的需求就越大。無線通信技術是戰場建立通信連接的重要技術手段,作為無線通信技術核心的無線頻譜資源,是一種不可再生的、有限而珍貴的資源,如何高效地分配和使用無線頻譜資源,一直是影響無線通信技術效能發揮的重要因素。OAM復用是一種頻率共用方式的共享頻譜資源技術,在相同載頻上,調制不同的OAM和傳輸信息,大大提高頻譜利用效率,可以解決軍用無線通信頻譜資源短缺的問題。

無線通信是戰爭中敵方首要攻擊、破壞的目標。在以信息作戰和網絡作戰為特征的現代戰爭中,圍繞電磁頻譜的爭奪和對抗成為戰爭中奪取的重要制高點,“制電磁頻譜權”已成為現代戰爭中敵我雙方除海、陸、空、天外爭奪的第五維戰場空間。在面向信息對抗和網絡中心戰的戰場環境下,軍事通信抗干擾已經成為信息化作戰關注的焦點和難點問題。將OAM作為新的信號特征用于無線通信,使無線信號具有特殊的抗干擾能力。

目前,軍事通信干擾技術正朝著綜合化、一體化、智能化方向發展,遠程大功率干擾技術不斷應用,分布式網絡化干擾技術成為發展重點,干擾領域向多維對抗的方向發展,通信對抗盲偵察、盲干擾技術不斷得到應用。通信對抗中的通信一方努力避開干擾頻段,重新尋找可利用的頻譜資源,而本已緊張的頻譜資源,由于干擾的寬帶化、大功率化、多樣化、智能化的發展,使得為對抗干擾而尋找新的可用頻譜資源的努力受到極大限制。傳統的抗干擾通信體制缺陷日益突出,已成為制約信息對抗領域通信方向發展的瓶頸之一。

2 國內外研究概況

渦旋光束是近幾年光學領域的一個研究熱點。已有多種方式可以產生光波段的渦旋光束,然而,一直無人將渦旋光束的概念引申到用于通信的微波波段。

2007年8月,Bo Thidé等發表了將OAM引入微波頻段的第一篇文章[1]。通過仿真證明了使用陣列天線可以產生在波束近軸方向上具有類似于Laguerre-Gauss渦旋光束特點的渦旋電磁波。

2010年,S.M.Mohammadi和Bo Thidé針對基于均勻圓環陣列天線的渦旋電磁波發射與接收進行了仿真研究[2],主要解答了不需要接收整個渦旋波束就能夠實現OAM模式正確測量的問題。研究小組在Nature Physics雜志也報道了他們在實驗室的研究成果[3-4]

2011年,F Tamburini等發表文章[5],通過實驗驗證可以使用螺旋狀反射面產生帶有OAM信息的渦旋電磁波。該實驗中使用的反射面是8階旋轉樓梯狀反射面。

2011年,瑞典空間物理研究所Bo Thidé教授和其意大利同事小組在意大利威尼斯的瀉湖開展了一個引人注目的實驗,該項試驗采用一個八木天線發送均勻平面波,采用一個螺旋拋物面天線發送渦旋電磁波,在同一頻帶內實現了兩路信號同時傳輸。Bo Thidé等的實驗2012年3月1日發表在New Journal of Physics雜志上[6]。在這項工作中,他們證明,通過對電磁波的不同OAM進行編碼,即使在現實環境中,也可實現同一頻帶傳輸多路信息。這就有可能大幅度提升現有的無線通信系統的容量[7]。理論上,即使在不使用偏振或密集編碼技術的情況下,這項新的無線技術也可在某一固定頻帶范圍內實現無限多的信道傳輸,這對解決日益突出的無線通信帶寬擁塞問題提供了一個全新的解決方案。隨著近幾年電信業務的迅速增長,無線頻譜已變得難以置信的擁擠,現有的信道復用方式已很難擴充通信帶寬。瑞典空間物理研究所Bo Thidé教授和其意大利同事小組工作的意義在于發展了一種全新的物理機制,實現同一頻帶能夠承載更大的傳輸容量,并首次實現了微波渦旋通信。

2012年,Edfos O.等撰文認為Bo Thidé等的實驗系統是MIMO的一種特殊形式,渦旋電磁通信屬于MIMO的一個子集,其實現通信容量的提升與MIMo系統相當[8]。

2012年11月,Fabrizio Tamburini等立即撰文對Edfos O.等的文章予以回應,討論了渦旋電磁通信與MIMO的異同。雖然實驗系統采用了類似MIMO的形式,但是OAM是在一個新的維度使電磁波得以復用[9]。

2012年,Mahmouli F E等采用透射螺旋結構和透射光柵結構實現了60 GHz頻率的渦旋電磁波產生。并在短距離內實現了4 Gb/s的視頻信號傳輸[10]。

2012年11月,Alan Tennant等通過仿真驗證使用TSA(Time-Switched Array)圓環陣列可同時在多個頻率上產生多種OAM模式的電磁波[11]。使用TSA,可以在天線和開關的互調頻率(f0±nfs)上,同時發送多OAM模式渦旋電磁波。其中f0是天線工作頻率,fs是開關頻率。但是這種方式產生的多種OAM模式并不能載有獨立的信息。

通過對國內外研究現狀的跟蹤可以看出,目前學術界對渦旋電磁波束的研究較少。產生渦旋電磁波的實物實驗僅限于使用螺旋反射面、介質透鏡(SPP結構)和金屬柵(HP結構)。報道的實驗都是在近距離完成的。已有的電磁渦旋陣列天線研究只是基于軟件仿真,還沒有實物陣列測試的數據報道。將OAM作為一種復用形式用于通信之前,有很多問題還亟待研究。

3 發展趨勢

3.1 渦旋電磁波的產生與接收

在渦旋電磁波的產生與接收方面,主要有采用反射螺旋面結構、采用透射螺旋結構、采用透射光柵結構和陣列天線等4種形式。前3種方法都源于渦旋光束的產生方法,并且已有實物報道。第4種方法實現難度大,現在僅有一些仿真的結果,但由于其具有潛在的發送模式靈活可變的特性,將是未來發展的方向。

3.2 OAM復用對通信容量的影響

無線通信采用OAM復用技術后,無線通信系統的容量限,及其獲取方法和條件將是未來研究的熱點。同時,分析新舊復用技術的關系,探索和研究基于OAM的無線通信復用技術與傳統復用技術的結合所產生性質和特點也是亟待解決的問題。

3.3 OAM模式的復用和解復用

OAM模式的復用是以OAM的模式作為信號分割的參量,即各路信號攜帶的OAM模式互不相同,從而實現同一頻率、同一時間條件下的多路傳輸。

OAM的復用既可以在多部發射機的發射信號之間,也可以在同一部發射機的多個發射通道之間實現。圖2是多發射機實現OAM模式復用的情況。在這種情況下,只要多部發射機發出的信號載有互不相同的OAM模式,則可以同頻、同時實現來自多個發射機的多信號復用。若Ψl1(θ,φ)、Ψl2(θ,φ)、…、ΨL(θ,φ)分別表示各模式對應的場分布,則復用后總的場分布為:

圖2 多發射機實現OAM模式復用Fig.2 Multitransmitter OAM pattern reuse

OAM模式的解復用是指在接收端對復用信號進行接收、處理,將攜帶不同模式OAM的信號從復用信號中分出。在無線傳輸中,既可以對來自多部發射機的多路信號進行復用,也可以對同一發射機、不同通道的多路信號進行復用。通過OAM模式的復用和解復用可以顯著提高傳輸信道的頻譜利用率。

3.4 大氣的非均勻性和電離層對渦旋電磁波的影響

利用渦旋電磁波建立復用傳輸信道,可以有效緩解目前衛星通信和短波通信中突出的通信容量受到有限頻帶的限制問題。渦旋電磁波應用到衛星通信系統中,電磁波會經過長距離的大氣傳播,而且必須經過電離層的透射;應用到短波通信系統中,發射電磁波必須經過電離層的全反射才能實現幾百千米甚至幾千千米的遠距離通信。因此研究大氣的非均勻性和電離層對渦旋電磁波的影響是渦旋電磁波用于長距離通信的前提。

3.5 渦旋電磁波抗干擾能力的研究

渦旋電磁波OAM復用其實現基礎依靠特定的天線技術。目前通信對抗中的干擾信號其OAM模式都屬于0模式,對于OAM不為0的傳輸信號,與其具有正交性。因此,OAM復用通信系統具有新型抗干擾能力。

OAM渦旋電磁信號的抗干擾可分為抗常規均勻平面波信號干擾(均勻平面波可看做OAM模式為0的渦旋電磁信號)與抗不同模式OAM信號干擾兩類。其抗干擾機理大致相同。

設某接收天線在收到模式為l的OAM期望信號x的同時,還受到常規信號g0和模式為m(m≠1)的OAM信號gm的干擾。

4 結 語

渦旋電磁波OAM復用系統在技術上具備高效頻率利用和通信抗干擾潛能,國內外的研究尚處于起步階段,在渦旋電磁波的產生、OAM復用對通信容量的影響、OAM模式的復用和解復用、渦旋電磁波的傳播特性研究、渦旋電磁波的抗干擾特性等方面都有很多問題亟待研究。在軍事領域,隨著種類和數量均越來越多的無線裝備投入信息化戰場,軍用頻譜資源也面臨空前的挑戰。研究和分析OAM復用和抗干擾性能,探索有效的OAM通信方法具有重要的軍事通信理論意義和現實意義。

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JIN Jun(1977-),male,Ph.D.,lecturer,majoring in microwave,satellite communications,smart antenna etc.

邵 尉(1981—),男,博士,講師,主要研究方向為電磁場技術、衛星通信、智能天線;

SHAO Wei(1981-),male,Ph.D.,lecturer,mainly engaged in electromagnetic technology,satellite communication, smart antenna.

孟凡秋(1965—),男,碩士,副教授,主要研究方向為光電技術、微波通信。

MENG Fan-qiu(1965-),male,M.Sci.,associate professor, majoring in photoelectric technology,microwave communication.

Application of Vortex Electromagnetic Wave in Military Wireless Communication

JIN Jun1,SHAO Wei,MENG Fan-qiu
(Institute of Communications Engineering,PLAUST,Nanjing Jiangsu210007,China)

Vortex electromagnetic wave OAM multiplexing is a kind of the application of the theory of quantum mechanics to the new technology of the wireless communication field.It has two attractive properties of high spectrum utilization and anti-interference.The present development situation both at home and abroad is introduced.The vortex electromagnetic wave's generating and receiving,OAM multiplexing of the communication capacity of OAM mode,the multiplexing and demultiplexing,atmospheric inhomogeneity and ionosphere to scroll the effects of electromagnetic waves,electromagnetic vortex wave anti-interference ability,etc.,are summarized.Finally,the research and analysis of the OAM multiplexing and anti-jamming performance,and the significance in exploring effective methods of OAM communication,are also pointed out.

OAM;multiplexing;anti-jamming

TN957

A

1002-0802(2014)09-0985-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.002

晉 軍(1977—),男,博士,講師,主要研究方向包括微波電路、衛星通信、智能天線等;

2014-04-26;

2014-07-23 Received date：2014-04-26;Revised date：2014-07-23