射频轨道角动量波束性质及应用研究
发布时间：2020-03-26 06:51
【摘要】：携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的电磁波束同时具有正交性和涡旋性。不同拓扑荷(Topological Charge,TC)的OAM波束相互正交,可为电磁波的复用和调制提供新的物理参数维度;不同拓扑荷的OAM波束具有不同的螺旋相位分布,则增加了空间中场的多样性。因此,基于OAM的电磁新技术给传统电磁应用带来了新的契机,具有很大的应用前景。论文在介绍OAM波束研究现状的基础上,分析了在射频OAM波束研究中亟待解决的问题,重点研究了射频OAM波束的局部性质、射频OAM天线的性能表征以及OAM波束在电磁应用中的关键技术。射频OAM波束的发散问题比光域OAM波束更严重,在实际应用场景中很难接收到完整孔径的OAM波束,这使得传统的角动量(Angular Momentum,AM)理论在射频OAM波束的实际应用中并不适用。论文从实际应用出发,理论推导并分析了射频OAM波束的局部AM特性,丰富并拓展了射频OAM理论:首次提出了局部耦合角动量(Coupling Angular Momentum,CAM)的概念,并用基于极化的模式分解法分析了局部CAM存在的原因;在此基础上推导了任意极化射频OAM波束的局部AM分解和拓扑荷局部估计方法,为未来局部利用射频OAM波束提供了良好的理论依据。针对现有的射频OAM天线表征参数很少考虑射频OAM波束实际应用这一问题,论文提出了射频OAM天线的新表征参数:接收方向图、纯度带宽和模式相位线性度。与传统天线性能指标仅和天线辐射场强相关不同,新定义的表征参数充分考虑了射频OAM波束的幅度、相位分布特性及其在实际应用中的模式解调方式。在此基础上,用新定义的表征参数对10GHz拓扑荷为3的宽带OAM螺旋天线的性能进行了具体分析,发现新表征参数对射频OAM天线的应用具有较好的指导意义。在射频OAM波束的相关应用研究中,论文首先利用射频OAM波束特有的角向波矢,研究了射频OAM波束旋转多普勒效应。考虑射频OAM波束的发散性,搭建了测量旋转多普勒效应的局部接收实验系统,分析了接收位置偏移和旋转平面偏转对旋转多普勒效应的影响;首次实验测量了拓扑荷绝对值大于1的射频OAM波束的旋转多普勒效应,获得了高的测速精度。另外,为了减小接收天线偏离和旋转平面偏转的影响,提出了一种利用平面轨道角动量(Plane Spiral Orbital Angular Momentum,PSOAM)波束的二维矢量速度探测方案。最后,论文初步探索了基于PSOAM波束叠加构建的平面结构电磁波在雷达成像和无线通信中的新应用模式。基于平面结构电磁波束的成像系统利用定向波束扫描和多信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法对探测物体进行成像。这种成像方法利用定向波束的高增益性能,获得了比传统OAM成像更高的周向分辨率。而基于平面结构电磁波束的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)通信系统,同时利用了平面结构电磁波的准正交性、涡旋性以及定向性,能获得比传统MIMO通信系统更高的容量增益。这些结果为射频OAM波束在传统电磁领域中的应用提供了新思路。
【图文】：
在以波束轴为中心的区域内，角动量可以分解成自旋角动量（Ｓｐｉｎ邋Ａｎｇｕａｌｒ逡逑Ｍｏｍｅｎｔｕｍ，邋ＳＡＭ）和轨道角动量［４－５］。极化状态是自旋角动量的外在表现。线极化波的自逡逑旋角动量态ｆＯ，＊？＝－１和ｆＩ分别为左旋和右旋圆极化波的自旋角动量态［６］。图１－１以线极化逡逑和左旋圆极化为例显示了电磁波的不同极化状态。正交极化的电磁波束进行复用可以成倍逡逑地提高无线通信系统的通信速率。在雷达系统中应用圆极化波则可以提高探测系统的抗干逡逑扰性能［７］。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－１电磁波的极化状态示意图（ａ）线极化（ｂ）左旋圆极化逡逑轨道角动量描述电磁波的空间相位分布。不同的空间相位螺旋分布可以用拓扑荷逡逑（Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ邋Ｃｈａｒｇｅ，邋ＴＣ）来定量表征，即当拓扑荷为Ｚ时，在方位角０向上的空间相位分布逡逑为ｅｘｐ（：／Ｚ４＞），如图１－２所示。理论上，轨道角动量波束的拓扑荷可取所有整数值。假设不逡逑同拓扑荷的ＯＡＭ波束同轴传输，在与波束传播方向垂直的平面上可简单表示为逡逑Ｐｉ＝ｅｘｐ（－ｙＺｉ0），式（卜１）表明不同拓扑荷的ＯＡＭ波束之间存在正交性。因此，逡逑ＯＡＭ这一迄今尚未被有效利用的电磁波基本特性可为电磁波的复用和调制提供新的物理逡逑维度。ＯＡＭ模态复用能够通过与传统的极化复用、时分复用（Ｔｉｍｅ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，逡逑ＴＤＭ）、频分复用（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，，邋ＦＤＭ）等叠加使用，进一步提升无线逡逑通信系统的通信速率［８］；基于ＯＡＭ的拓扑荷编码则可为无线通信提供新的调制方式。此外，逡逑由式（１－１）可知
逦（ｃ）逦（ｄ）逡逑图１－２不同拓扑荷Ｉ的轨道角动量波束的空间相位分布图逡逑（ａ）邋Ｌ＝１邋（ｂ）邋Ｌ＝２邋（ｃ）邋Ｌ＝３邋（ｄ）邋Ｌ＝４逡逑⑷逦（ｂ）逡逑：逡逑■邋１逡逑（Ｃ）逦（ｄ）逡逑图１－３不同拓扑荷Ｉ的轨道角动量波束的空间幅度分布图逡逑（ｂ）邋Ｌ＝０邋（ｂ）邋Ｌ＝１邋（ｃ）邋Ｌ＝２邋（ｄ）邋Ｘ＝３［１０］逡逑ＯＡＭ波束的螺旋空间相位导致其中心点的相位不确定，因此ＯＡＭ波束的空间幅度分逡逑布呈甜甜圈的形状，中间是没有能量的黑洞，如图１－３所示。而且，不同拓扑荷的０ＡＭ波逡逑束中心能量黑洞半径不同。由于波束的发散性［ｎ］，随着传输距离的增加，波束黑洞的半径逡逑越来越大。射频波的波长远大于光波，因此射频域０ＡＭ波束的发散问题远比光域要严重，逡逑３逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TN822
本文编号：2601114
【图文】：
在以波束轴为中心的区域内，角动量可以分解成自旋角动量（Ｓｐｉｎ邋Ａｎｇｕａｌｒ逡逑Ｍｏｍｅｎｔｕｍ，邋ＳＡＭ）和轨道角动量［４－５］。极化状态是自旋角动量的外在表现。线极化波的自逡逑旋角动量态ｆＯ，＊？＝－１和ｆＩ分别为左旋和右旋圆极化波的自旋角动量态［６］。图１－１以线极化逡逑和左旋圆极化为例显示了电磁波的不同极化状态。正交极化的电磁波束进行复用可以成倍逡逑地提高无线通信系统的通信速率。在雷达系统中应用圆极化波则可以提高探测系统的抗干逡逑扰性能［７］。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－１电磁波的极化状态示意图（ａ）线极化（ｂ）左旋圆极化逡逑轨道角动量描述电磁波的空间相位分布。不同的空间相位螺旋分布可以用拓扑荷逡逑（Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ邋Ｃｈａｒｇｅ，邋ＴＣ）来定量表征，即当拓扑荷为Ｚ时，在方位角０向上的空间相位分布逡逑为ｅｘｐ（：／Ｚ４＞），如图１－２所示。理论上，轨道角动量波束的拓扑荷可取所有整数值。假设不逡逑同拓扑荷的ＯＡＭ波束同轴传输，在与波束传播方向垂直的平面上可简单表示为逡逑Ｐｉ＝ｅｘｐ（－ｙＺｉ0），式（卜１）表明不同拓扑荷的ＯＡＭ波束之间存在正交性。因此，逡逑ＯＡＭ这一迄今尚未被有效利用的电磁波基本特性可为电磁波的复用和调制提供新的物理逡逑维度。ＯＡＭ模态复用能够通过与传统的极化复用、时分复用（Ｔｉｍｅ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，逡逑ＴＤＭ）、频分复用（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，，邋ＦＤＭ）等叠加使用，进一步提升无线逡逑通信系统的通信速率［８］；基于ＯＡＭ的拓扑荷编码则可为无线通信提供新的调制方式。此外，逡逑由式（１－１）可知
逦（ｃ）逦（ｄ）逡逑图１－２不同拓扑荷Ｉ的轨道角动量波束的空间相位分布图逡逑（ａ）邋Ｌ＝１邋（ｂ）邋Ｌ＝２邋（ｃ）邋Ｌ＝３邋（ｄ）邋Ｌ＝４逡逑⑷逦（ｂ）逡逑：逡逑■邋１逡逑（Ｃ）逦（ｄ）逡逑图１－３不同拓扑荷Ｉ的轨道角动量波束的空间幅度分布图逡逑（ｂ）邋Ｌ＝０邋（ｂ）邋Ｌ＝１邋（ｃ）邋Ｌ＝２邋（ｄ）邋Ｘ＝３［１０］逡逑ＯＡＭ波束的螺旋空间相位导致其中心点的相位不确定，因此ＯＡＭ波束的空间幅度分逡逑布呈甜甜圈的形状，中间是没有能量的黑洞，如图１－３所示。而且，不同拓扑荷的０ＡＭ波逡逑束中心能量黑洞半径不同。由于波束的发散性［ｎ］，随着传输距离的增加，波束黑洞的半径逡逑越来越大。射频波的波长远大于光波，因此射频域０ＡＭ波束的发散问题远比光域要严重，逡逑３逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TN822
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 罗玉文,傅文斌,徐生求,李侠;圆极化雷达反气象干扰的机理分析[J];吉首大学学报(自然科学版);1999年03期
本文编号：2601114
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