射頻渦旋電磁波輻射機(jī)理研究
發(fā)布時(shí)間：2020-11-17 10:21
電磁軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum,OAM)是近年來(lái)電磁場(chǎng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。原因在于,其可能成為一個(gè)新的信息調(diào)制維度,極大擴(kuò)展電磁波承載和傳遞信息的能力。近三十年來(lái),無(wú)論是在光學(xué)領(lǐng)域還是微波領(lǐng)域,OAM均受到了廣泛的研究和討論。攜帶有OAM的電磁波具有螺旋狀的橫向相位結(jié)構(gòu),因此又被稱為渦旋電磁波或者渦旋波。由于不同拓?fù)潆姾蓴?shù)的渦旋電磁波彼此嚴(yán)格正交,這些渦旋波可以在空間中互不干擾的獨(dú)立傳播。理論上不同模式的渦旋波可以形成互相獨(dú)立的信道或者互相獨(dú)立的觀測(cè),這一特性為其在通信或者雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了巨大前景。為了將渦旋電磁波應(yīng)用于更廣泛的物理系統(tǒng),應(yīng)該系統(tǒng)性地研究三個(gè)方面的內(nèi)容,渦旋波的輻射,傳播和接收。本文將從多個(gè)角度,采用多種方法對(duì)渦旋波的輻射問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)地梳理和研究,提供渦旋波輻射的完整性方案和解決思路。本文首先歸納了目前已知的渦旋波輻射方案。主流的方法包括:螺旋反射結(jié)構(gòu)(開(kāi)口拋物面),螺旋透射結(jié)構(gòu)(螺旋相位片),高次模輻射結(jié)構(gòu)(微帶高次模,介質(zhì)棒天線等),環(huán)形天線陣列。目前渦旋波輻射結(jié)構(gòu)均可以歸結(jié)為以上四種方案,或者其變形。引入適當(dāng)?shù)南辔徊钍瞧浜诵乃悸贰Ｔ谇叭斯ぷ鞯幕A(chǔ)上,本文主要希望解決,渦旋波輻射系統(tǒng)復(fù)雜,帶寬受限,剖面過(guò)高,模式單一的問(wèn)題。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下,這些問(wèn)題的優(yōu)先級(jí)顯然不同,但都在一定程度上制約了 OAM系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。因此,為上述問(wèn)題提供解決思路可以進(jìn)一步擴(kuò)大OAM系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。論文的主要研究?jī)?nèi)容分別概括如下:第一,設(shè)計(jì)了一種無(wú)需移相的圓環(huán)天線陣列用以輻射渦旋電磁波。首先,詳細(xì)分析了傳統(tǒng)渦旋電磁波圓環(huán)天線陣的工作原理。在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了無(wú)需移相的圓環(huán)天線陣列輻射渦旋電磁波的工作原理,總結(jié)了無(wú)需移相的圓環(huán)天線陣列的典型特征。最后,以傳統(tǒng)微帶圓極化天線作為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)制作了天線陣列樣品進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第二,主要介紹寬帶電磁波自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量之間的耦合方法。首先,介紹自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量間耦合的物理機(jī)制和條件。然后,設(shè)計(jì)符合上述條件的超材料單元,并提取其等效電路結(jié)構(gòu),分析其頻率響應(yīng)以及寬帶特性,總結(jié)優(yōu)化方法和設(shè)計(jì)規(guī)律。最后加工實(shí)驗(yàn)樣品,并將仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。得到較好的效果。第三,介紹基于阻抗調(diào)制表面的渦旋電磁波天線。首先介紹阻抗調(diào)制表面天線的工作原理。其次,設(shè)計(jì)輻射渦旋電磁波所需的阻抗分布,然后通過(guò)金屬縫隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述阻抗分布。最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論。第四,介紹多模式渦旋電磁波的輻射方法。首先介紹基于超表面的輻射場(chǎng)綜合方法。然后基于諧波展開(kāi)法,隨機(jī)交織法等多模式多波束的渦旋電磁波輻射方案。其次,分析在偏軸傳輸,多徑效應(yīng)等情況下,發(fā)生的渦旋波模式色散現(xiàn)象。最后,介紹單波束多模式混合渦旋電磁波輻射方案,并通過(guò)樣品加工和實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)理論和方法。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O441.4
【部分圖文】：
?第１章緒論???１．１．１渦旋電磁波在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用??國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)渦旋電磁波在雷達(dá)成像上的應(yīng)用已有一些積極的探索。??最早在２０１３年，郭桂蓉院士等人的研宄首次發(fā)現(xiàn)，在渦旋電磁波照射下理想散??射點(diǎn)的回波模型顯示出渦旋電磁波對(duì)雷達(dá)目標(biāo)具有方位向成像的潛力ＩＭ。但是基??于傅里葉變換的成像結(jié)果中存在對(duì)稱的“偽像”，如圖１．１（ａ）所示，并且該方法??不能實(shí)現(xiàn)俯仰方向的分辨，如圖１．１（ｂ）所示。??ｌｉ???????．?????????的?？??Ｉ?ｉｌｌ?１?峰－??Ｊ?２?＇?Ｊ?城如加＿＿??（ａ）?（ｂ）??圖１．１?（ａ）方位維成像結(jié)果；（ｂ）方位維和俯仰維成像結(jié)果??２０１５年，國(guó)防科技大學(xué)的Ｋ．?Ｌｉｕ等人利用均勻圓形天線陣產(chǎn)生渦旋電磁波??對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同頻點(diǎn)下的回波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)距離維的分辨｜２３１�；夭ǖ�??接收方式被分成了多發(fā)多收（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）和多發(fā)單收??（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｓｉｎｇｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ＾?ＭＩＳＯ）兩種，如圖１．２所示，其中紅色箭頭表示??接收天線。??“?２?＾ＰｉｒＡ＾）?個(gè)?７??／??／?Ｉ?Ｐ｛ｒ，Ｂ．ｇｔ）??（ａ）?（ｂ）??圖１．２⑷ＭＩＭＯ接收方式；（ｂ）ＭＩＳＯ接收方式??通過(guò)推導(dǎo)回波表達(dá)式發(fā)現(xiàn)在相同的系統(tǒng)參數(shù)下ＭＩＭＯ方式的方位分辨能力??是ＭＩＳＯ方式的兩倍，并且兩種方式的方位角分辨率都與模式總數(shù)成反比關(guān)系。??在ＭＩＭＯ方式下，基于傅里葉變換的距離和方位二維成像結(jié)果如圖１．３（ａ）所示，??可以看到在方位維存在對(duì)稱的“
?第１章緒論???１．１．１渦旋電磁波在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用??國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)渦旋電磁波在雷達(dá)成像上的應(yīng)用已有一些積極的探索。??最早在２０１３年，郭桂蓉院士等人的研宄首次發(fā)現(xiàn)，在渦旋電磁波照射下理想散??射點(diǎn)的回波模型顯示出渦旋電磁波對(duì)雷達(dá)目標(biāo)具有方位向成像的潛力ＩＭ。但是基??于傅里葉變換的成像結(jié)果中存在對(duì)稱的“偽像”，如圖１．１（ａ）所示，并且該方法??不能實(shí)現(xiàn)俯仰方向的分辨，如圖１．１（ｂ）所示。??ｌｉ???????．?????????的?？??Ｉ?ｉｌｌ?１?峰－??Ｊ?２?＇?Ｊ?城如加＿＿??（ａ）?（ｂ）??圖１．１?（ａ）方位維成像結(jié)果；（ｂ）方位維和俯仰維成像結(jié)果??２０１５年，國(guó)防科技大學(xué)的Ｋ．?Ｌｉｕ等人利用均勻圓形天線陣產(chǎn)生渦旋電磁波??對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同頻點(diǎn)下的回波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)距離維的分辨｜２３１�；夭ǖ�??接收方式被分成了多發(fā)多收（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）和多發(fā)單收??（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｓｉｎｇｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ＾?ＭＩＳＯ）兩種，如圖１．２所示，其中紅色箭頭表示??接收天線。??“?２?＾ＰｉｒＡ＾）?個(gè)?７??／??／?Ｉ?Ｐ｛ｒ，Ｂ．ｇｔ）??（ａ）?（ｂ）??圖１．２⑷ＭＩＭＯ接收方式；（ｂ）ＭＩＳＯ接收方式??通過(guò)推導(dǎo)回波表達(dá)式發(fā)現(xiàn)在相同的系統(tǒng)參數(shù)下ＭＩＭＯ方式的方位分辨能力??是ＭＩＳＯ方式的兩倍，并且兩種方式的方位角分辨率都與模式總數(shù)成反比關(guān)系。??在ＭＩＭＯ方式下，基于傅里葉變換的距離和方位二維成像結(jié)果如圖１．３（ａ）所示，??可以看到在方位維存在對(duì)稱的“
?第１章緒論???核的Ｈｉｌｂｅｒｔ變換然后進(jìn)行兩維的傅里葉變換獲得成像結(jié)果，如圖１．３（ｂ）所示，成??像結(jié)果中的“偽像”被消除了，但是距離和俯仰角存在耦合關(guān)系。??ｍ－??■?：?＂?：．??．－．－?．．．?＊＊＊■?？?？：??－??＊？?ｒ?｜?，．ｉ－?＊Ｔ??？？?■??」Ｌ?？??（ａ）?（ｂ）??圖１．３?（ａ）ＭＩＭＯ方式的成像結(jié)果；（ｂ）?ＭＩＳＯ方式下回波經(jīng)過(guò)Ｈｉｌｂｅｒｔ變換后的成像結(jié)果［２３］??２０１６年，Ｋ．?Ｌｉｕ所在的研宄小組在ＭＩＳＯ接收方式下推導(dǎo)了雷達(dá)發(fā)射線性??調(diào)頻信號(hào)時(shí)的回波表達(dá)式［２４］。由于發(fā)射的是寬帶信號(hào)，所以經(jīng)過(guò)距離維的脈沖壓??縮和方位維傅里葉變換可以得到兩維成像結(jié)果。圖１．４顯示了四個(gè)散射點(diǎn)的仿真??成像結(jié)果。??４〇？?？）；０?９４〇?９６０?Ｍｌ？）?ＨＷｆ?１０２０?ＨＭＯ?�。埃＃�?Ｍ＞？０?ＭＯＯ??ｒｗｇｃｒ?ｍ??圖１．４四個(gè)散射點(diǎn)的成像結(jié)果［２４］??由于不同模式數(shù)下ＵＣＡ產(chǎn)生的ＯＡＭ波的輻射方向不同，該研宄小組利用??均勾同心圓環(huán)天線陣（Ｕｎｉｆｏｒｍ?Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ?Ｃｉｒｃｕｌａｒ?Ａｒｒａｙｓ，?ＵＣＣＡ）通過(guò)調(diào)節(jié)不同??模式數(shù)對(duì)應(yīng)的陣列半徑來(lái)使ＯＡＭ波在俯仰方向的波束指向一致『２義然后該小組??推導(dǎo)了?ＵＣＣＡ發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)的回波表達(dá)式，通過(guò)對(duì)模式數(shù)做傅里葉變換得??到了方位維的成像結(jié)果，如圖１．５（ａ）所示。結(jié)合距離維的脈沖壓縮技術(shù)，可以得??到距離和方位的兩維成像結(jié)果，如圖］．５（ｂ）所示。??°１?ｍ?１??ＯＨ??０?０．１?０２?９５０?１０００?１０５０
【參考文獻(xiàn)】
本文編號(hào)：2887391
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O441.4
【部分圖文】：
?第１章緒論???１．１．１渦旋電磁波在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用??國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)渦旋電磁波在雷達(dá)成像上的應(yīng)用已有一些積極的探索。??最早在２０１３年，郭桂蓉院士等人的研宄首次發(fā)現(xiàn)，在渦旋電磁波照射下理想散??射點(diǎn)的回波模型顯示出渦旋電磁波對(duì)雷達(dá)目標(biāo)具有方位向成像的潛力ＩＭ。但是基??于傅里葉變換的成像結(jié)果中存在對(duì)稱的“偽像”，如圖１．１（ａ）所示，并且該方法??不能實(shí)現(xiàn)俯仰方向的分辨，如圖１．１（ｂ）所示。??ｌｉ???????．?????????的?？??Ｉ?ｉｌｌ?１?峰－??Ｊ?２?＇?Ｊ?城如加＿＿??（ａ）?（ｂ）??圖１．１?（ａ）方位維成像結(jié)果；（ｂ）方位維和俯仰維成像結(jié)果??２０１５年，國(guó)防科技大學(xué)的Ｋ．?Ｌｉｕ等人利用均勻圓形天線陣產(chǎn)生渦旋電磁波??對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同頻點(diǎn)下的回波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)距離維的分辨｜２３１�；夭ǖ�??接收方式被分成了多發(fā)多收（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）和多發(fā)單收??（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｓｉｎｇｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ＾?ＭＩＳＯ）兩種，如圖１．２所示，其中紅色箭頭表示??接收天線。??“?２?＾ＰｉｒＡ＾）?個(gè)?７??／??／?Ｉ?Ｐ｛ｒ，Ｂ．ｇｔ）??（ａ）?（ｂ）??圖１．２⑷ＭＩＭＯ接收方式；（ｂ）ＭＩＳＯ接收方式??通過(guò)推導(dǎo)回波表達(dá)式發(fā)現(xiàn)在相同的系統(tǒng)參數(shù)下ＭＩＭＯ方式的方位分辨能力??是ＭＩＳＯ方式的兩倍，并且兩種方式的方位角分辨率都與模式總數(shù)成反比關(guān)系。??在ＭＩＭＯ方式下，基于傅里葉變換的距離和方位二維成像結(jié)果如圖１．３（ａ）所示，??可以看到在方位維存在對(duì)稱的“
?第１章緒論???１．１．１渦旋電磁波在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用??國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)渦旋電磁波在雷達(dá)成像上的應(yīng)用已有一些積極的探索。??最早在２０１３年，郭桂蓉院士等人的研宄首次發(fā)現(xiàn)，在渦旋電磁波照射下理想散??射點(diǎn)的回波模型顯示出渦旋電磁波對(duì)雷達(dá)目標(biāo)具有方位向成像的潛力ＩＭ。但是基??于傅里葉變換的成像結(jié)果中存在對(duì)稱的“偽像”，如圖１．１（ａ）所示，并且該方法??不能實(shí)現(xiàn)俯仰方向的分辨，如圖１．１（ｂ）所示。??ｌｉ???????．?????????的?？??Ｉ?ｉｌｌ?１?峰－??Ｊ?２?＇?Ｊ?城如加＿＿??（ａ）?（ｂ）??圖１．１?（ａ）方位維成像結(jié)果；（ｂ）方位維和俯仰維成像結(jié)果??２０１５年，國(guó)防科技大學(xué)的Ｋ．?Ｌｉｕ等人利用均勻圓形天線陣產(chǎn)生渦旋電磁波??對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同頻點(diǎn)下的回波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)距離維的分辨｜２３１�；夭ǖ�??接收方式被分成了多發(fā)多收（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）和多發(fā)單收??（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｉｎｐｕｔ?Ｓｉｎｇｌｅ?Ｏｕｔｐｕｔ＾?ＭＩＳＯ）兩種，如圖１．２所示，其中紅色箭頭表示??接收天線。??“?２?＾ＰｉｒＡ＾）?個(gè)?７??／??／?Ｉ?Ｐ｛ｒ，Ｂ．ｇｔ）??（ａ）?（ｂ）??圖１．２⑷ＭＩＭＯ接收方式；（ｂ）ＭＩＳＯ接收方式??通過(guò)推導(dǎo)回波表達(dá)式發(fā)現(xiàn)在相同的系統(tǒng)參數(shù)下ＭＩＭＯ方式的方位分辨能力??是ＭＩＳＯ方式的兩倍，并且兩種方式的方位角分辨率都與模式總數(shù)成反比關(guān)系。??在ＭＩＭＯ方式下，基于傅里葉變換的距離和方位二維成像結(jié)果如圖１．３（ａ）所示，??可以看到在方位維存在對(duì)稱的“
?第１章緒論???核的Ｈｉｌｂｅｒｔ變換然后進(jìn)行兩維的傅里葉變換獲得成像結(jié)果，如圖１．３（ｂ）所示，成??像結(jié)果中的“偽像”被消除了，但是距離和俯仰角存在耦合關(guān)系。??ｍ－??■?：?＂?：．??．－．－?．．．?＊＊＊■?？?？：??－??＊？?ｒ?｜?，．ｉ－?＊Ｔ??？？?■??」Ｌ?？??（ａ）?（ｂ）??圖１．３?（ａ）ＭＩＭＯ方式的成像結(jié)果；（ｂ）?ＭＩＳＯ方式下回波經(jīng)過(guò)Ｈｉｌｂｅｒｔ變換后的成像結(jié)果［２３］??２０１６年，Ｋ．?Ｌｉｕ所在的研宄小組在ＭＩＳＯ接收方式下推導(dǎo)了雷達(dá)發(fā)射線性??調(diào)頻信號(hào)時(shí)的回波表達(dá)式［２４］。由于發(fā)射的是寬帶信號(hào)，所以經(jīng)過(guò)距離維的脈沖壓??縮和方位維傅里葉變換可以得到兩維成像結(jié)果。圖１．４顯示了四個(gè)散射點(diǎn)的仿真??成像結(jié)果。??４〇？?？）；０?９４〇?９６０?Ｍｌ？）?ＨＷｆ?１０２０?ＨＭＯ?�。埃＃�?Ｍ＞？０?ＭＯＯ??ｒｗｇｃｒ?ｍ??圖１．４四個(gè)散射點(diǎn)的成像結(jié)果［２４］??由于不同模式數(shù)下ＵＣＡ產(chǎn)生的ＯＡＭ波的輻射方向不同，該研宄小組利用??均勾同心圓環(huán)天線陣（Ｕｎｉｆｏｒｍ?Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ?Ｃｉｒｃｕｌａｒ?Ａｒｒａｙｓ，?ＵＣＣＡ）通過(guò)調(diào)節(jié)不同??模式數(shù)對(duì)應(yīng)的陣列半徑來(lái)使ＯＡＭ波在俯仰方向的波束指向一致『２義然后該小組??推導(dǎo)了?ＵＣＣＡ發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)的回波表達(dá)式，通過(guò)對(duì)模式數(shù)做傅里葉變換得??到了方位維的成像結(jié)果，如圖１．５（ａ）所示。結(jié)合距離維的脈沖壓縮技術(shù)，可以得??到距離和方位的兩維成像結(jié)果，如圖］．５（ｂ）所示。??°１?ｍ?１??ＯＨ??０?０．１?０２?９５０?１０００?１０５０
【參考文獻(xiàn)】
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本文編號(hào)：2887391
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