均匀微波场幅度一致性破坏机理研究

发布时间：2020-04-29 13:21

【摘要】：均匀微波场是一种特殊的空间场,要求在预定区域内场强分布相等,在物料干燥、微波热疗、电磁敏感性测试等领域有重要应用。产生均匀微波场的关键是如何实现对空间电磁场的调控。目前,电磁波传播与空间电磁场分布的控制理论和方法用于产生均匀微波场普遍存在场幅度不一致性问题,往往需要通过大量优化计算去改善场分布均匀性,导致产生均匀微波场的计算复杂度高和灵活性差,制约着均匀微波场的实际应用。因此,对均匀微波场幅度一致性破坏机理进行研究具有重要意义和价值。本文提出了基于时间反演到达场的均匀微波场产生方法,仿真实现了一维直线型均匀微波场。本文结合时间反演到达场理论重点分析了破坏均匀微波场幅度一致性的机理,并研究了提升均匀微波场幅度一致性方法,为均匀微波场的研究、设计及其物理产生提供理论与技术支撑。本文的主要研究工作如下:首先,联合时间反演聚焦理论和到达场理论,提出一种基于时间反演到达场合成产生均匀微波场的方法,建立了一维直线型均匀微波场的数学分析模型,并利用MATLAB软件进行了数值仿真验证;然后,设计了目标场源探测天线和不同的TRM阵单元,构建了直线型均匀微波场模型。通过CST进行电磁仿真,验证了基于时间反演到达场的均匀微波场综合方法的可行性,并分析了合成的目标均匀场在轴线处的分布特征;其次,研究了TRM排布方式、TR单元数量、宽度调控因子s、波谱缺失、相位偏差等因素对合成均匀场分布的影响以及物理机制。对比分析了TR单元非等角度排布,展示了波数为等间隔采样的均匀场产生模型优势;宽度调控因子影响的是均匀场的波谱主瓣,从而影响合成均匀场的宽度。只需改变调控因子s就能实现对均匀场宽度的调控,无需改变模型结构,展现出该方法的方便快捷;位于波普中间部分的谱缺失严重影响合成均匀场的纹波和旁瓣;通过馈入不同的TR回传信号相位偏差,研究其对产生均匀场的影响。最后,针对如何提高均匀微波场幅度一致性的问题,提出了双点探测法和单纯形算法幅值优化的两种方法,并经过CST仿真验证了方法的有效性。
【图文】：

场分布,无线输能,赋形,电磁场

在TR信号回传时便能实现多目标、选择性、绿色安全、高能效地无线输能，如图1-1所示。随着对TR技术在不同领域应用的深入挖掘，学者们越发明晰其在电磁波传播和控制空间场分布方面的独特优势和广泛应用前景。(a) (b)图 1-1 赋形电磁场及无线输能[25](a) “T”字形赋形电磁场; (b) “T”字形赋形区无线输能综合上面对控制电磁波的传播与空间场分布的几种主要方法来看，天线以及天线阵虽然能控制波的传播方向，但实现空间场分布的控制十分困难；而电磁超材料虽然自身有诸多新奇物理特性，，但是由于其本身存在的缺点限制了在空间场调控的能力与应用；相比之下，时间反演以本身时间-空间同步聚焦、超分辨率以及自适应定位等特征，使其能够更灵活有效地用于控制空间电磁分布。均匀微波场的产生除了上述的操纵电磁波方法外，还应有相关理论作为依据。聚焦场叠加(FocusingFieldSuperposition，FFS)，聚焦场可以看作一个点源场，点源场作为基本场，通过线性叠加可以形成任意场。利用时间反演技术[26,27]可以控制电磁波实现点聚焦场，其中时间反演从数学上来讲，就是对信号进行时域上的时

准平面波,相位,幅度

[46-49]，如图1-3(a)由不同数目的无限长线电流元组成的线阵综合出的准平面波场的幅度和相位。文献[49]利用平面波谱的傅里叶变换和反傅里叶变换并结合优化算法优化反射阵列天线口径的相位实现平面波的综合，静区场幅值分布如图1-3(b)所示。上述波场综合中所提到的各种方法由于本身合成的场误差偏高，人们往往关注全局或局部优化算法优化，导致计算量和代价大幅增加，缺少对引起合成目标场幅度不均匀性的研究与分析。(a) (b)图 1-3 准平面波场 (a)准平面波场的幅度和相位[46]；(b)静区场幅值[49]
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4

【参考文献】