基于大梯度微波聚焦场的电磁镊实现方法研究

发布时间：2020-06-06 08:36

【摘要】：电磁波具备能量与动量,电磁镊利用微波聚焦场与物质之间的动量转换来实现对物质的捕获,一方面可突破光镊对周边环境物质的透光性要求;另一方面也可丰富和推进微波领域的发展,有望实现一种普适性、简便性、经济性的电磁捕获和操控工具。时间反演(Time Reversal,TR)的空时聚焦特性应用在场控制领域中可以克服微波的衍射和能量发散,实现微波频段的空间聚焦场,为电磁镊的实现提供技术手段。本文基于TR技术,以实现电磁镊捕获单个、多个高折射率瑞利微粒以及低折射率瑞利微粒为目的,对如何提升单点、多点聚焦场场强梯度以及如何实现中空环形大梯度微波聚焦场进行了深入研究。首先,基于时间反演场的表达式,通过理论推导和数据分析,得到提升聚焦场场强梯度的两大关键因素。在TR技术实现单点聚焦场的基础之上,探究金属丝排布方式对聚焦场场强梯度的两大因素的影响,最终选定了2种可提升聚焦场场强梯度的排布方式,并在激励天线处实现了两种大梯度聚焦场,研究聚焦天线位置的改变对大梯度微波聚焦场的影响。研究大梯度微波聚焦场对单个高折射率微粒的捕获,验证基于大梯度微波聚焦场的电磁镊可在-120mm?x?120mm,-120mm?y?120mm范围内不同位置处实现瑞利微粒的操控,在平衡位置处实现粒子的捕获。其次,以单点聚焦场为基本场,结合场的线性叠加得到多点聚焦场,在激励天线附近加载金属丝实现聚焦场场强梯度的提升。借助优化算法,对多点大梯度微波聚焦场场强分布的均衡性进行优化,实现了多点聚焦场场强梯度分布的均衡性。探究多点大梯度微波聚焦场对多个瑞利微粒的捕获,得出电磁镊可在多个平衡位置处实现多个瑞利微粒的操控。最后,提出中空环形大梯度聚焦场的实现方法,实现对低折射率瑞利微粒的捕获。阐述产生中空环形聚焦场的理论依据,利用全向天线初步实现了中空环形聚焦场。继而通过改变离散时间反演镜(Discrete Time Reversal Mirror,D-TRM)阵元类型、增加阵元数目、增大馈入功率等方法实现了中空环形聚焦场梯度的提升。探究中空环形大梯度微波聚焦场对瑞利微粒的捕获,得出基于中空环形聚焦场空心区域的电磁镊可捕获低折射率微粒,基于非空心区域的电磁镊可实现高折射率微粒的捕获。
【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;TN015

【参考文献】