基于特征模理论的新型涡旋波天线设计

发布时间：2020-08-22 15:46

【摘要】：本论文讨论天线的设计问题。从分析模型出发,结合特征模理论进行轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)天线的设计。注重设计方法论层面的研究。模式的概念贯穿整个微波、天线领域,深刻理解电磁场中的各类模式,才能更好地处理微波、天线工程中遇到的各类问题。天线从工作机理上来讲有两种:行波天线和驻波天线。行波天线中的导行波边传导边辐射,辐射效率较低;驻波天线对应的物理概念是外谐振,而特征模正是与外谐振相关的模式理论。特征模由于其清晰的物理概念,以及在数学上可作为正交的全域基函数等优点,近来被广泛被应用于天线工程中。特征模可以为工作于谐振状态的天线提供更为物理的、本质的解释,从而帮助人们更好地理解谐振型天线的工作机理。另一方面,具有OAM属性的波束的研究近年来从光波段拓展到了微波波段,OAM波束特殊的相位波前及其模态的正交性使得其有着巨大的应用前景,可被应用于成像、目标探测、近场感知和通信等领域,亦是当前电磁领域的一个热点。当前电磁涡旋依旧存在很多问题尚待解决,比如扩散角问题,高纯度高模态问题等。基于以上考虑,本文结合特征模理论在涡旋波天线设计领域进行了一系列的探索和研究工作,以彰显特征模理论在OAM天线设计中的价值。首先,作为前置工作,把现有的微波波段OAM产生方法抽象概括为四类分析模型,同时依托于分析模型指出该如何提取圆极化的OAM波束的轨道角动量数;然后,结合两类矢量分析模型,采用分析模型构建、特征模拟合分析模型、全波验证的思路流程,做了一系列OAM天线设计的工作;最后,通过上述分析过程形成的成果包括:八木形式的环形OAM天线、八边形微带贴片OAM天线以及平行磁电偶极子OAM天线。此外,采用八边形微带贴片OAM天线组阵仿真并实验证明了天线单元OAM模态数与阵列OAM模态数的可叠加性这一物理属性。所有这些天线的辐射场都同时包含了自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)属性和OAM属性,因此这类天线可以被命名为全角动量天线(All Angular Momentum,AAM),以表征其丰富的电磁多样性。AAM天线的辐射场在空间分布上既有矢量涡旋波的特性又有标量涡旋波的特点,因此具有一定的潜在应用价值(通信、成像等)。在设计这些天线的过程中,依次用到了概念延拓、模式拼接、模式修正等思想,这些思想也可以自然扩展到其他类型的复杂模式的天线设计中去。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN822
【图文】：

场分布,问题分类,电磁场,工程

具体讲述之前，先从宏观上讲一些基本概念。在工程中遇到的所有电磁场问题基本可以归纳为如下三类问题：图1.1 工程电磁场问题分类这三类问题的前置条件以及研究对象如上图所示。全波问题一般也称之为电磁正问题，目的就是求解场分布。正问题解决的是辐射散射相关的问题，比如天线增益(Gain)、雷达截面(RCS)等，数值上主要应用各类计算电磁学方法；逆散射问题也叫作电磁逆问题，一般是从已知的（部分）场分布去推测源的情况，应用场景有雷达成像、波达估计等，主要借助各种信号处理的数学工具；本征问题可以认为是以上两类问题的前置问题，只从媒质和边界入手，研究的是物体的固有属性，然后从这些固有属性出发去研究可能的场分布和相关的源问题。研究者在溯源某些正问题或逆问题更深层次的物理背景的时候，常常会归结到特定的本征问题中来。一项成熟的研究既要注重应用也要注重原理，模式理论研究的价值与意义便在于此。本论文研究的是涡旋波的生成方法

端口隔离度,微波频段,收发系统,空间频谱

波束且不发生串扰，这将大大提高空间频谱利用效率。文献[5]中描述的实验在 2011年首次实现了 OAM 在微波频段的通信：图1.2 涡旋波通信实验收发系统角度看，利用特定 OAM 模态的正交性可以提高端口隔离度，从而提高系统信号传递的稳定性。文献[6]用 OAM 天线实现了大于 45dB 的端口隔离度。

目标探测,超分辨,波束

它们都是用到了 OAM 波束不同模态间正交特性，从而提升了系统的某些性能。图1.3 利用涡旋波进行超分辨目标探测图1.4 OAM 成像实验OAM 波束潜在用途甚广，因此如何高效产生 OAM 波束便是一个值得深入研究的课题。本文将借助特征模这一理论工具对这一课题进行深入研究，这是一个全新的角度。以这个角度作为切入点，可以帮助人们更好地理解并分析各类 OAM 天线的工作机理，同时可以引导研究者更高效地进行 OAM 天线的设计，具有十分重要的工程指导意义。所以在下一节的调研中，也将重点关注 OAM 波束产生方面的研究，因为这是本文工作的核心点。而更多的应用层面以及其他的一些对于 OAM 的批驳或讨论[11]-[13]?

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