涡旋电磁波在军事无线通信中的应用*

2014-02-10孟凡秋

通信技术 2014年9期

关键词：涡旋电磁波发射机

晋军,邵尉,孟凡秋

(解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007)

涡旋电磁波在军事无线通信中的应用*

晋军,邵尉,孟凡秋

(解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007)

涡旋电磁波的OAM复用是一种把量子力学中的轨道角动量理论应用到无线通信领域的新型技术,拥有高效频谱利用和抗干扰两项引人注目的特性。介绍了国内外研究现状,对涡旋电磁波的产生与接收、OAM复用对通信容量的影响、OAM模式的复用和解复用、大气的非均匀性和电离层对涡旋电磁波的影响、涡旋电磁波抗干扰能力等研究热点进行了概括。指出了研究、分析OAM复用和抗干扰性能以及探索有效的OAM通信方法的重要意义。

轨道角动量复用抗干扰

0 引言

根据麦克斯韦的经典电磁理论,电磁辐射同时载有能量和动量,而动量又包括线动量和角动量。当波束含有与角向相关的位相分布时,会具有与角向位相分布有关的角动量,称之为轨道角动量(OAM,Orbital Angular Momentum)。普通电磁波的轨道角动量模式为0,其波前为均匀平面波。如果电磁波的OAM模式不为0,其为螺旋状等相位面的特殊波前。具有螺旋状相位波前的这种特殊电磁波,我们称其为涡漩电磁波。

涡旋电磁波的OAM复用是一种把量子力学中的轨道角动量理论应用到无线通信领域的新型技术。国外将OAM运用到无线通信领域方面的实验已引起各国学术界的关注。

1 研究意义

涡旋波束的相位波前绕涡旋中心旋转一周,相位改变2π,称其模式为1,如图1(b)所示。涡旋波束的相位波前绕涡旋中心旋转一周,相位改变4π,称其模式为2,如图1(c)所示。涡旋波束的相位波前绕涡旋中心旋转一周,相位改变6π,称其模式为3,如图1(d)所示。

图1 不同OAM模式涡旋波束的相位波前Fig.1 Rotational phase front of an OAM radio beam

同一频率的电磁波拥有无穷多种模式,使得涡旋电磁波在通信中具有频谱利用率高、抗干扰的特点。将其用于军事通信具有独特的优势。

军事通信系统是现代战争指挥控制的重要神经系统。OAM复用可以提高频谱利用效率,而频谱资源是重要的战场资源。军事应用中的无线业务对无线频谱资源的需求以惊人的速度增长。当网络中需要建立的链路越多时,通信设备也越多,网络需要的频点也就越多,对无线频谱资源的需求就越大。无线通信技术是战场建立通信连接的重要技术手段,作为无线通信技术核心的无线频谱资源,是一种不可再生的、有限而珍贵的资源,如何高效地分配和使用无线频谱资源,一直是影响无线通信技术效能发挥的重要因素。OAM复用是一种频率共用方式的共享频谱资源技术,在相同载频上,调制不同的OAM和传输信息,大大提高频谱利用效率,可以解决军用无线通信频谱资源短缺的问题。

无线通信是战争中敌方首要攻击、破坏的目标。在以信息作战和网络作战为特征的现代战争中,围绕电磁频谱的争夺和对抗成为战争中夺取的重要制高点,“制电磁频谱权”已成为现代战争中敌我双方除海、陆、空、天外争夺的第五维战场空间。在面向信息对抗和网络中心战的战场环境下,军事通信抗干扰已经成为信息化作战关注的焦点和难点问题。将OAM作为新的信号特征用于无线通信,使无线信号具有特殊的抗干扰能力。

目前,军事通信干扰技术正朝着综合化、一体化、智能化方向发展,远程大功率干扰技术不断应用,分布式网络化干扰技术成为发展重点,干扰领域向多维对抗的方向发展,通信对抗盲侦察、盲干扰技术不断得到应用。通信对抗中的通信一方努力避开干扰频段,重新寻找可利用的频谱资源,而本已紧张的频谱资源,由于干扰的宽带化、大功率化、多样化、智能化的发展,使得为对抗干扰而寻找新的可用频谱资源的努力受到极大限制。传统的抗干扰通信体制缺陷日益突出,已成为制约信息对抗领域通信方向发展的瓶颈之一。

2 国内外研究概况

涡旋光束是近几年光学领域的一个研究热点。已有多种方式可以产生光波段的涡旋光束,然而,一直无人将涡旋光束的概念引申到用于通信的微波波段。

2007年8月,Bo Thidé等发表了将OAM引入微波频段的第一篇文章[1]。通过仿真证明了使用阵列天线可以产生在波束近轴方向上具有类似于Laguerre-Gauss涡旋光束特点的涡旋电磁波。

2010年,S.M.Mohammadi和Bo Thidé针对基于均匀圆环阵列天线的涡旋电磁波发射与接收进行了仿真研究[2],主要解答了不需要接收整个涡旋波束就能够实现OAM模式正确测量的问题。研究小组在Nature Physics杂志也报道了他们在实验室的研究成果[3-4]

2011年,F Tamburini等发表文章[5],通过实验验证可以使用螺旋状反射面产生带有OAM信息的涡旋电磁波。该实验中使用的反射面是8阶旋转楼梯状反射面。

2011年,瑞典空间物理研究所Bo Thidé教授和其意大利同事小组在意大利威尼斯的泻湖开展了一个引人注目的实验,该项试验采用一个八木天线发送均匀平面波,采用一个螺旋抛物面天线发送涡旋电磁波,在同一频带内实现了两路信号同时传输。Bo Thidé等的实验2012年3月1日发表在New Journal of Physics杂志上[6]。在这项工作中,他们证明,通过对电磁波的不同OAM进行编码,即使在现实环境中,也可实现同一频带传输多路信息。这就有可能大幅度提升现有的无线通信系统的容量[7]。理论上,即使在不使用偏振或密集编码技术的情况下,这项新的无线技术也可在某一固定频带范围内实现无限多的信道传输,这对解决日益突出的无线通信带宽拥塞问题提供了一个全新的解决方案。随着近几年电信业务的迅速增长,无线频谱已变得难以置信的拥挤,现有的信道复用方式已很难扩充通信带宽。瑞典空间物理研究所Bo Thidé教授和其意大利同事小组工作的意义在于发展了一种全新的物理机制,实现同一频带能够承载更大的传输容量,并首次实现了微波涡旋通信。

2012年,Edfos O.等撰文认为Bo Thidé等的实验系统是MIMO的一种特殊形式,涡旋电磁通信属于MIMO的一个子集,其实现通信容量的提升与MIMo系统相当[8]。

2012年11月,Fabrizio Tamburini等立即撰文对Edfos O.等的文章予以回应,讨论了涡旋电磁通信与MIMO的异同。虽然实验系统采用了类似MIMO的形式,但是OAM是在一个新的维度使电磁波得以复用[9]。

2012年,Mahmouli F E等采用透射螺旋结构和透射光栅结构实现了60 GHz频率的涡旋电磁波产生。并在短距离内实现了4 Gb/s的视频信号传输[10]。

2012年11月,Alan Tennant等通过仿真验证使用TSA(Time-Switched Array)圆环阵列可同时在多个频率上产生多种OAM模式的电磁波[11]。使用TSA,可以在天线和开关的互调频率(f0±nfs)上,同时发送多OAM模式涡旋电磁波。其中f0是天线工作频率,fs是开关频率。但是这种方式产生的多种OAM模式并不能载有独立的信息。

通过对国内外研究现状的跟踪可以看出,目前学术界对涡旋电磁波束的研究较少。产生涡旋电磁波的实物实验仅限于使用螺旋反射面、介质透镜(SPP结构)和金属栅(HP结构)。报道的实验都是在近距离完成的。已有的电磁涡旋阵列天线研究只是基于软件仿真,还没有实物阵列测试的数据报道。将OAM作为一种复用形式用于通信之前,有很多问题还亟待研究。

3 发展趋势

3.1 涡旋电磁波的产生与接收

在涡旋电磁波的产生与接收方面,主要有采用反射螺旋面结构、采用透射螺旋结构、采用透射光栅结构和阵列天线等4种形式。前3种方法都源于涡旋光束的产生方法,并且已有实物报道。第4种方法实现难度大,现在仅有一些仿真的结果,但由于其具有潜在的发送模式灵活可变的特性,将是未来发展的方向。

3.2 OAM复用对通信容量的影响

无线通信采用OAM复用技术后,无线通信系统的容量限,及其获取方法和条件将是未来研究的热点。同时,分析新旧复用技术的关系,探索和研究基于OAM的无线通信复用技术与传统复用技术的结合所产生性质和特点也是亟待解决的问题。

3.3 OAM模式的复用和解复用

OAM模式的复用是以OAM的模式作为信号分割的参量,即各路信号携带的OAM模式互不相同,从而实现同一频率、同一时间条件下的多路传输。

OAM的复用既可以在多部发射机的发射信号之间,也可以在同一部发射机的多个发射通道之间实现。图2是多发射机实现OAM模式复用的情况。在这种情况下,只要多部发射机发出的信号载有互不相同的OAM模式,则可以同频、同时实现来自多个发射机的多信号复用。若Ψl1(θ,φ)、Ψl2(θ,φ)、…、ΨL(θ,φ)分别表示各模式对应的场分布,则复用后总的场分布为:

图2 多发射机实现OAM模式复用Fig.2 Multitransmitter OAM pattern reuse

OAM模式的解复用是指在接收端对复用信号进行接收、处理,将携带不同模式OAM的信号从复用信号中分出。在无线传输中,既可以对来自多部发射机的多路信号进行复用,也可以对同一发射机、不同通道的多路信号进行复用。通过OAM模式的复用和解复用可以显著提高传输信道的频谱利用率。

3.4 大气的非均匀性和电离层对涡旋电磁波的影响

利用涡旋电磁波建立复用传输信道,可以有效缓解目前卫星通信和短波通信中突出的通信容量受到有限频带的限制问题。涡旋电磁波应用到卫星通信系统中,电磁波会经过长距离的大气传播,而且必须经过电离层的透射;应用到短波通信系统中,发射电磁波必须经过电离层的全反射才能实现几百千米甚至几千千米的远距离通信。因此研究大气的非均匀性和电离层对涡旋电磁波的影响是涡旋电磁波用于长距离通信的前提。

3.5 涡旋电磁波抗干扰能力的研究

涡旋电磁波OAM复用其实现基础依靠特定的天线技术。目前通信对抗中的干扰信号其OAM模式都属于0模式,对于OAM不为0的传输信号,与其具有正交性。因此,OAM复用通信系统具有新型抗干扰能力。

OAM涡旋电磁信号的抗干扰可分为抗常规均匀平面波信号干扰(均匀平面波可看做OAM模式为0的涡旋电磁信号)与抗不同模式OAM信号干扰两类。其抗干扰机理大致相同。

设某接收天线在收到模式为l的OAM期望信号x的同时,还受到常规信号g0和模式为m(m≠1)的OAM信号gm的干扰。

4 结语

涡旋电磁波OAM复用系统在技术上具备高效频率利用和通信抗干扰潜能,国内外的研究尚处于起步阶段,在涡旋电磁波的产生、OAM复用对通信容量的影响、OAM模式的复用和解复用、涡旋电磁波的传播特性研究、涡旋电磁波的抗干扰特性等方面都有很多问题亟待研究。在军事领域,随着种类和数量均越来越多的无线装备投入信息化战场,军用频谱资源也面临空前的挑战。研究和分析OAM复用和抗干扰性能,探索有效的OAM通信方法具有重要的军事通信理论意义和现实意义。

[1] Thidé B,Then H,Sjöholm J.Palmer,et al.Utilization of Photon Orbital Angular Momentum in the Low-frequency Radio Domain[J].Phys.Rev.Lett.,2007,99(8): 087701-1-087701-4.

[2] MOHAMMADI S M,DALDORFF L K S,BERGMAN J E S,et al.Orbital Angular Momentum in Radio-A System Study[J].IEEE Transaction on Antennas and Propagation,2010,58(02):565-572.

[3] TAMBURINI F,THIDé B,MOLINA-TERRIZA G, et al.Twisting of Light around Rotating Black Holes [J].Nature Physics,2011(07):195-197.

[4] CARTLIDGE E.Adding a Twist to Radio Technology [EB/OL].[2011-2-22](2014-01-01).http:// www.nature.com/news/adding-a-twist-to-radio-technology-1.10160?nc=1331393339903.

[5] TAMBURINI F,MARI E,THIDé B,BARBIERI C,et al.Experimental Verification of Photon Angular Momontum and Vorticity with Radio Techniques[J].Applied Physics Letters,2011,99(20):204102-204103-3.

[6] TAMBURINI F,THIDé B,MARI E,et al.Encoding Many Channels on the Same Frequency through Radio Vorticity:First Experimental Test[J].New Journal of Physics,2012(14):033001.

[7] TAMAGNONE M,CRAEYE C,PERRUISSEAU-CARRIER J.Comment on‘Encoding Many Channels on the Same Frequency through Radio Vorticity:First Experimental Test'[J].New Journal of Physics,2012(14): 118001.

[8] EDFOS O,JOHANSSON A J.Is Orbital Angular Momentum(OAM)based Radio Communication an Unexploited area?[J].IEEE Transaction on Antennas and Propagation,2012,60(02):1126-1131.

[9] TAMBURINI F,THIDé B,MARI E,et al.Reply to Comment on'Encoding Many Channels on the Same Frequency through Radio Vorticity:First Experimental Test' [J].New Journal of Physics,2012(14):118002.

[10] MAHMOULI F E,WALKER S.Orbital Angular Momentum Generation in a 60-GHz Wireless Radio Channel[C]//20th Telecommunications Forum.Serbia, Belgrade:[s.n.],2012:315-318.

[11] TENNANT A,ALLEN B.Generation of Radio Frequency OAM Radiation Modes Using Circular Time-switched and Phased Array Antennas[C]//2012 Loughborough Antennas&PropagationConference.Loughborough, UK:[s.l.],2012:12-15.

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

邵尉(1981—),男,博士,讲师,主要研究方向为电磁场技术、卫星通信、智能天线;

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

孟凡秋(1965—),男,硕士,副教授,主要研究方向为光电技术、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

1002-0802(2014)09-0985-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.002