射频涡旋电磁波辐射机理研究

发布时间：2020-11-17 10:21

　　 电磁轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)是近年来电磁场领域的研究热点。原因在于,其可能成为一个新的信息调制维度,极大扩展电磁波承载和传递信息的能力。近三十年来,无论是在光学领域还是微波领域,OAM均受到了广泛的研究和讨论。携带有OAM的电磁波具有螺旋状的横向相位结构,因此又被称为涡旋电磁波或者涡旋波。由于不同拓扑电荷数的涡旋电磁波彼此严格正交,这些涡旋波可以在空间中互不干扰的独立传播。理论上不同模式的涡旋波可以形成互相独立的信道或者互相独立的观测,这一特性为其在通信或者雷达领域的应用提供了巨大前景。为了将涡旋电磁波应用于更广泛的物理系统,应该系统性地研究三个方面的内容,涡旋波的辐射,传播和接收。本文将从多个角度,采用多种方法对涡旋波的辐射问题进行系统地梳理和研究,提供涡旋波辐射的完整性方案和解决思路。本文首先归纳了目前已知的涡旋波辐射方案。主流的方法包括:螺旋反射结构(开口抛物面),螺旋透射结构(螺旋相位片),高次模辐射结构(微带高次模,介质棒天线等),环形天线阵列。目前涡旋波辐射结构均可以归结为以上四种方案,或者其变形。引入适当的相位差是其核心思路。在前人工作的基础上,本文主要希望解决,涡旋波辐射系统复杂,带宽受限,剖面过高,模式单一的问题。在不同的应用场景下,这些问题的优先级显然不同,但都在一定程度上制约了 OAM系统的应用范围。因此,为上述问题提供解决思路可以进一步扩大OAM系统的应用领域。论文的主要研究内容分别概括如下:第一,设计了一种无需移相的圆环天线阵列用以辐射涡旋电磁波。首先,详细分析了传统涡旋电磁波圆环天线阵的工作原理。在此基础上,推导了无需移相的圆环天线阵列辐射涡旋电磁波的工作原理,总结了无需移相的圆环天线阵列的典型特征。最后,以传统微带圆极化天线作为基础,设计制作了天线阵列样品进行仿真和实验验证。第二,主要介绍宽带电磁波自旋角动量和轨道角动量之间的耦合方法。首先,介绍自旋角动量和轨道角动量间耦合的物理机制和条件。然后,设计符合上述条件的超材料单元,并提取其等效电路结构,分析其频率响应以及宽带特性,总结优化方法和设计规律。最后加工实验样品,并将仿真与实验结果相比较。得到较好的效果。第三,介绍基于阻抗调制表面的涡旋电磁波天线。首先介绍阻抗调制表面天线的工作原理。其次,设计辐射涡旋电磁波所需的阻抗分布,然后通过金属缝隙结构实现上述阻抗分布。最后进行仿真实验验证设计理论。第四,介绍多模式涡旋电磁波的辐射方法。首先介绍基于超表面的辐射场综合方法。然后基于谐波展开法,随机交织法等多模式多波束的涡旋电磁波辐射方案。其次,分析在偏轴传输,多径效应等情况下,发生的涡旋波模式色散现象。最后,介绍单波束多模式混合涡旋电磁波辐射方案,并通过样品加工和实验测试验证相关设计理论和方法。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O441.4
【部分图文】：

?第１章绪论???１．１．１涡旋电磁波在雷达系统中的应用??国内外的研究人员对涡旋电磁波在雷达成像上的应用已有一些积极的探索。??最早在２０１３年，郭桂蓉院士等人的研宄首次发现，在涡旋电磁波照射下理想散??射点的回波模型显示出涡旋电磁波对雷达目标具有方位向成像的潜力ＩＭ。但是基??于傅里叶变换的成像结果中存在对称的“伪像”，如图１．１（ａ）所示，并且该方法??不能实现俯仰方向的分辨，如图１．１（ｂ）所示。??ｌｉ???????．?????????的?？??Ｉ?ｉｌｌ?１?峰－??Ｊ?２?＇?Ｊ?城如加＿＿??（ａ）?（ｂ）??图１．１?（ａ）方位维成像结果；（ｂ）方位维和俯仰维成像结果??２０１５年，国防科技大学的Ｋ．?Ｌｉｕ等人利用均匀圆形天线阵产生涡旋电磁波??对目标进行成像实验，通过不同频点下的回波数据实现距离维的分辨｜２３１。回波的??接收方式被分成了多发多收（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）和多发单收??（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｓｉｎｇｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ＾?ＭＩＳＯ）两种，如图１．２所示，其中红色箭头表示??接收天线。??“?２?＾ＰｉｒＡ＾）?个?７??／??／?Ｉ?Ｐ｛ｒ，Ｂ．ｇｔ）??（ａ）?（ｂ）??图１．２⑷ＭＩＭＯ接收方式；（ｂ）ＭＩＳＯ接收方式??通过推导回波表达式发现在相同的系统参数下ＭＩＭＯ方式的方位分辨能力??是ＭＩＳＯ方式的两倍，并且两种方式的方位角分辨率都与模式总数成反比关系。??在ＭＩＭＯ方式下，基于傅里叶变换的距离和方位二维成像结果如图１．３（ａ）所示，??可以看到在方位维存在对称的“

?第１章绪论???１．１．１涡旋电磁波在雷达系统中的应用??国内外的研究人员对涡旋电磁波在雷达成像上的应用已有一些积极的探索。??最早在２０１３年，郭桂蓉院士等人的研宄首次发现，在涡旋电磁波照射下理想散??射点的回波模型显示出涡旋电磁波对雷达目标具有方位向成像的潜力ＩＭ。但是基??于傅里叶变换的成像结果中存在对称的“伪像”，如图１．１（ａ）所示，并且该方法??不能实现俯仰方向的分辨，如图１．１（ｂ）所示。??ｌｉ???????．?????????的?？??Ｉ?ｉｌｌ?１?峰－??Ｊ?２?＇?Ｊ?城如加＿＿??（ａ）?（ｂ）??图１．１?（ａ）方位维成像结果；（ｂ）方位维和俯仰维成像结果??２０１５年，国防科技大学的Ｋ．?Ｌｉｕ等人利用均匀圆形天线阵产生涡旋电磁波??对目标进行成像实验，通过不同频点下的回波数据实现距离维的分辨｜２３１。回波的??接收方式被分成了多发多收（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）和多发单收??（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｓｉｎｇｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ＾?ＭＩＳＯ）两种，如图１．２所示，其中红色箭头表示??接收天线。??“?２?＾ＰｉｒＡ＾）?个?７??／??／?Ｉ?Ｐ｛ｒ，Ｂ．ｇｔ）??（ａ）?（ｂ）??图１．２⑷ＭＩＭＯ接收方式；（ｂ）ＭＩＳＯ接收方式??通过推导回波表达式发现在相同的系统参数下ＭＩＭＯ方式的方位分辨能力??是ＭＩＳＯ方式的两倍，并且两种方式的方位角分辨率都与模式总数成反比关系。??在ＭＩＭＯ方式下，基于傅里叶变换的距离和方位二维成像结果如图１．３（ａ）所示，??可以看到在方位维存在对称的“

?第１章绪论???核的Ｈｉｌｂｅｒｔ变换然后进行两维的傅里叶变换获得成像结果，如图１．３（ｂ）所示，成??像结果中的“伪像”被消除了，但是距离和俯仰角存在耦合关系。??ｍ－??■?：?＂?：．??．－．－?．．．?＊＊＊■?？?？：??－??＊？?ｒ?｜?，．ｉ－?＊Ｔ??？？?■??」Ｌ?？??（ａ）?（ｂ）??图１．３?（ａ）ＭＩＭＯ方式的成像结果；（ｂ）?ＭＩＳＯ方式下回波经过Ｈｉｌｂｅｒｔ变换后的成像结果［２３］??２０１６年，Ｋ．?Ｌｉｕ所在的研宄小组在ＭＩＳＯ接收方式下推导了雷达发射线性??调频信号时的回波表达式［２４］。由于发射的是宽带信号，所以经过距离维的脉冲压??缩和方位维傅里叶变换可以得到两维成像结果。图１．４显示了四个散射点的仿真??成像结果。??４〇？?？）；０?９４〇?９６０?Ｍｌ？）?ＨＷｆ?１０２０?ＨＭＯ?！０＃＊０?Ｍ＞？０?ＭＯＯ??ｒｗｇｃｒ?ｍ??图１．４四个散射点的成像结果［２４］??由于不同模式数下ＵＣＡ产生的ＯＡＭ波的辐射方向不同，该研宄小组利用??均勾同心圆环天线阵（Ｕｎｉｆｏｒｍ?Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ?Ｃｉｒｃｕｌａｒ?Ａｒｒａｙｓ，?ＵＣＣＡ）通过调节不同??模式数对应的阵列半径来使ＯＡＭ波在俯仰方向的波束指向一致『２义然后该小组??推导了?ＵＣＣＡ发射线性调频信号的回波表达式，通过对模式数做傅里叶变换得??到了方位维的成像结果，如图１．５（ａ）所示。结合距离维的脉冲压缩技术，可以得??到距离和方位的两维成像结果，如图］．５（ｂ）所示。??°１?ｍ?１??ＯＨ??０?０．１?０２?９５０?１０００?１０５０
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 郭桂蓉;胡卫东;杜小勇;;基于电磁涡旋的雷达目标成像[J];国防科技大学学报;2013年06期

相关博士学位论文 前1条

1 齐美清;超材料透镜和超表面对电磁波的调控及应用[D];东南大学;2016年

相关硕士学位论文 前1条

1 武华阳;无线轨道角动量通信与雷达目标成像技术研究[D];浙江大学;2017年

本文编号：2887391