信号对时间反演电磁波聚焦特性影响的数值仿真研究

发布时间：2020-07-20 16:17

【摘要】：时间反演技术(Time Reversal,TR)是指对时域信号的一种逆序操作,该技术可以克服多径效应这一传统通信中的不利因素,将多径效应充分利用,获得空间复用及自适应聚焦的效果,即时空聚焦特性。TR技术独特的时空聚焦特性使其在通信、输能以及高分辨率成像领域都具有广泛的应用前景。但现今TR技术在电磁波领域的研究还处于初始阶段,尤其在信号对TR电磁波聚焦特性影响的研究方面还有所欠缺。针对上述问题,本文的主要工作内容如下:(1)介绍TR技术的基本理论。首先引出时间反演镜(Time Reversal Mirror,TRM)和多径效应两个重要概念。接着从数学理论的角度探讨TR技术的时间聚焦特性和空间聚焦特性及相应性能表征,最后详细阐述TR技术的单天线MIMO效应。(2)研究信号对TR电磁波聚焦特性的影响并提出改善聚焦性能的方法。首先利用时域有限差分法算法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)电磁仿真工具以及MATLAB软件建立有限数量TRM阵列单元金属腔仿真模型,接着对三种信号特性(信号波形,信号带宽,信号载频)对TR电磁波时间聚焦和空间聚焦特性的影响进行了仿真实验和结果分析。最后实验结果表明,信号特性对TR电磁波的时间聚焦和空间聚焦特性有明显的影响,选择合适的信号类型或提高信号带宽,可以增强TR电磁波时空聚焦性能。(3)研究信号对TR单天线MIMO效应中信道有效多径数量的影响并提出增加有效多径数量的方法。首先利用仿真实验和物理实测实验,得到空间信道冲激响应,最后对信道有效多径数量的影响进行了统计和分析。实验结果表明增加信号带宽可以有效增加信道有效多径数量,实现更优的TR单天线MIMO性能。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN911.7;O441.4
【图文】：

1图 1-1 TR 技术基本原理[5]经过长时间的发展，TR 技术在光学领域[6]，超声波领域[7,8]，目标探测[9]，生物医疗[10]等领域取得丰硕的研究成果。后 TR 技术应用领域扩展到电磁波领域，2017 年文献[11

的用户设备在无线网络的多址接入是无线通信技术亟待解决的关键问题。现有的多入技术包括：频分多址，时分多址，码分多址。这些多址技术通过系统资源（频率间）的划分区分不同用户。对于特定的无线系统，这些系统资源是有限的，系统的性存在硬性限制。TR 技术因为其可以利用空间聚焦特性来实现无线系统的多址接被引入无线通信。这种多址方式是根据每一用户和基站之间的独特的无线信道特性立性来区分，这样就以用户唯一的位置作为多址实现空间复用，从而拓展系统用户将成为未来有效的室内通信方案。法国国家科研署立项资助的 TRIMARAN（Reversal MIMO OFDM Green Communication Based on Micro-structured Antenna)项目在将 TR 技术与正交频分复用多入多出（OFDM-MIMO）通信系统相结合，并结合构天线阵列技术构建绿色高效的能应用于多种通信环境（包括室内，室外下的多径用通信系统[26,27]。现今在通信领域，TR 技术主要是与超宽带（Ultra Wideband, UWB）技术结合成 TR-UWB 通信系统，如图 1-2 所示，为 TR 脉冲通信系统信号传输流程。

工作频率 场景 优缺几十 KHz 至几百 kHz传输距离量级 mm 到 m低频近场传输功距离短，对齐式几 MHz 至几十 MHz传输距离量级 cm 到 m高频近场距离中等，传接发天线谐振 采用 S，C 波段传输距离量级 m 到 Km高频远场距离能量束难以集低常用波长 800 nm 传输距离量级 m 到 Km传输距离远，对准精度的无线输能系统主要采用电磁辐射式技术方案，因为电离的路径衰减存在传输效率低的问题。研究者利用波束种系统传输效率，但是该技术需要发射器和接收器的之线传播路径，实用性受到限制。随着输能应用的逐渐扩方法便变得尤为迫切。国外马里兰大学研究学者 Frank能系统方案[29]。

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本文编号：2763669