【摘要】：攜帶軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)的電磁波束同時具有正交性和渦旋性。不同拓撲荷(Topological Charge,TC)的OAM波束相互正交,可為電磁波的復(fù)用和調(diào)制提供新的物理參數(shù)維度;不同拓撲荷的OAM波束具有不同的螺旋相位分布,則增加了空間中場的多樣性。因此,基于OAM的電磁新技術(shù)給傳統(tǒng)電磁應(yīng)用帶來了新的契機,具有很大的應(yīng)用前景。論文在介紹OAM波束研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,分析了在射頻OAM波束研究中亟待解決的問題,重點研究了射頻OAM波束的局部性質(zhì)、射頻OAM天線的性能表征以及OAM波束在電磁應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。射頻OAM波束的發(fā)散問題比光域OAM波束更嚴重,在實際應(yīng)用場景中很難接收到完整孔徑的OAM波束,這使得傳統(tǒng)的角動量(Angular Momentum,AM)理論在射頻OAM波束的實際應(yīng)用中并不適用。論文從實際應(yīng)用出發(fā),理論推導(dǎo)并分析了射頻OAM波束的局部AM特性,豐富并拓展了射頻OAM理論:首次提出了局部耦合角動量(Coupling Angular Momentum,CAM)的概念,并用基于極化的模式分解法分析了局部CAM存在的原因;在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了任意極化射頻OAM波束的局部AM分解和拓撲荷局部估計方法,為未來局部利用射頻OAM波束提供了良好的理論依據(jù)。針對現(xiàn)有的射頻OAM天線表征參數(shù)很少考慮射頻OAM波束實際應(yīng)用這一問題,論文提出了射頻OAM天線的新表征參數(shù):接收方向圖、純度帶寬和模式相位線性度。與傳統(tǒng)天線性能指標僅和天線輻射場強相關(guān)不同,新定義的表征參數(shù)充分考慮了射頻OAM波束的幅度、相位分布特性及其在實際應(yīng)用中的模式解調(diào)方式。在此基礎(chǔ)上,用新定義的表征參數(shù)對10GHz拓撲荷為3的寬帶OAM螺旋天線的性能進行了具體分析,發(fā)現(xiàn)新表征參數(shù)對射頻OAM天線的應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)意義。在射頻OAM波束的相關(guān)應(yīng)用研究中,論文首先利用射頻OAM波束特有的角向波矢,研究了射頻OAM波束旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)。考慮射頻OAM波束的發(fā)散性,搭建了測量旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的局部接收實驗系統(tǒng),分析了接收位置偏移和旋轉(zhuǎn)平面偏轉(zhuǎn)對旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的影響;首次實驗測量了拓撲荷絕對值大于1的射頻OAM波束的旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng),獲得了高的測速精度。另外,為了減小接收天線偏離和旋轉(zhuǎn)平面偏轉(zhuǎn)的影響,提出了一種利用平面軌道角動量(Plane Spiral Orbital Angular Momentum,PSOAM)波束的二維矢量速度探測方案。最后,論文初步探索了基于PSOAM波束疊加構(gòu)建的平面結(jié)構(gòu)電磁波在雷達成像和無線通信中的新應(yīng)用模式。基于平面結(jié)構(gòu)電磁波束的成像系統(tǒng)利用定向波束掃描和多信號分類(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法對探測物體進行成像。這種成像方法利用定向波束的高增益性能,獲得了比傳統(tǒng)OAM成像更高的周向分辨率。而基于平面結(jié)構(gòu)電磁波束的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)通信系統(tǒng),同時利用了平面結(jié)構(gòu)電磁波的準正交性、渦旋性以及定向性,能獲得比傳統(tǒng)MIMO通信系統(tǒng)更高的容量增益。這些結(jié)果為射頻OAM波束在傳統(tǒng)電磁領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了新思路。
【圖文】：

在以波束軸為中心的區(qū)域內(nèi)，角動量可以分解成自旋角動量（Ｓｐｉｎ邋Ａｎｇｕａｌｒ逡逑Ｍｏｍｅｎｔｕｍ，邋ＳＡＭ）和軌道角動量［４－５］。極化狀態(tài)是自旋角動量的外在表現(xiàn)。線極化波的自逡逑旋角動量態(tài)ｆＯ，＊？＝－１和ｆＩ分別為左旋和右旋圓極化波的自旋角動量態(tài)［６］。圖１－１以線極化逡逑和左旋圓極化為例顯示了電磁波的不同極化狀態(tài)。正交極化的電磁波束進行復(fù)用可以成倍逡逑地提高無線通信系統(tǒng)的通信速率。在雷達系統(tǒng)中應(yīng)用圓極化波則可以提高探測系統(tǒng)的抗干逡逑擾性能［７］。逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１－１電磁波的極化狀態(tài)示意圖（ａ）線極化（ｂ）左旋圓極化逡逑軌道角動量描述電磁波的空間相位分布。不同的空間相位螺旋分布可以用拓撲荷逡逑（Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ邋Ｃｈａｒｇｅ，邋ＴＣ）來定量表征，即當(dāng)拓撲荷為Ｚ時，在方位角０向上的空間相位分布逡逑為ｅｘｐ（：／Ｚ４＞），如圖１－２所示。理論上，軌道角動量波束的拓撲荷可取所有整數(shù)值。假設(shè)不逡逑同拓撲荷的ＯＡＭ波束同軸傳輸，在與波束傳播方向垂直的平面上可簡單表示為逡逑Ｐｉ＝ｅｘｐ（－ｙＺｉ0），式（卜１）表明不同拓撲荷的ＯＡＭ波束之間存在正交性。因此，逡逑ＯＡＭ這一迄今尚未被有效利用的電磁波基本特性可為電磁波的復(fù)用和調(diào)制提供新的物理逡逑維度。ＯＡＭ模態(tài)復(fù)用能夠通過與傳統(tǒng)的極化復(fù)用、時分復(fù)用（Ｔｉｍｅ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，逡逑ＴＤＭ）、頻分復(fù)用（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，，邋ＦＤＭ）等疊加使用，進一步提升無線逡逑通信系統(tǒng)的通信速率［８］；基于ＯＡＭ的拓撲荷編碼則可為無線通信提供新的調(diào)制方式。此外，逡逑由式（１－１）可知

邐（ｃ）邐（ｄ）逡逑圖１－２不同拓撲荷Ｉ的軌道角動量波束的空間相位分布圖逡逑（ａ）邋Ｌ＝１邋（ｂ）邋Ｌ＝２邋（ｃ）邋Ｌ＝３邋（ｄ）邋Ｌ＝４逡逑⑷邐（ｂ）逡逑：逡逑■邋１逡逑（Ｃ）邐（ｄ）逡逑圖１－３不同拓撲荷Ｉ的軌道角動量波束的空間幅度分布圖逡逑（ｂ）邋Ｌ＝０邋（ｂ）邋Ｌ＝１邋（ｃ）邋Ｌ＝２邋（ｄ）邋Ｘ＝３［１０］逡逑ＯＡＭ波束的螺旋空間相位導(dǎo)致其中心點的相位不確定，因此ＯＡＭ波束的空間幅度分逡逑布呈甜甜圈的形狀，中間是沒有能量的黑洞，如圖１－３所示。而且，不同拓撲荷的０ＡＭ波逡逑束中心能量黑洞半徑不同。由于波束的發(fā)散性［ｎ］，隨著傳輸距離的增加，波束黑洞的半徑逡逑越來越大。射頻波的波長遠大于光波，因此射頻域０ＡＭ波束的發(fā)散問題遠比光域要嚴重，逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O441.4;TN822

【參考文獻】

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1 羅玉文,傅文斌,徐生求,李俠;圓極化雷達反氣象干擾的機理分析[J];吉首大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1999年03期

本文編號：2601114