【摘要】：本論文討論天線的設(shè)計(jì)問題。從分析模型出發(fā),結(jié)合特征模理論進(jìn)行軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum,OAM)天線的設(shè)計(jì)。注重設(shè)計(jì)方法論層面的研究。模式的概念貫穿整個(gè)微波、天線領(lǐng)域,深刻理解電磁場(chǎng)中的各類模式,才能更好地處理微波、天線工程中遇到的各類問題。天線從工作機(jī)理上來講有兩種:行波天線和駐波天線。行波天線中的導(dǎo)行波邊傳導(dǎo)邊輻射,輻射效率較低;駐波天線對(duì)應(yīng)的物理概念是外諧振,而特征模正是與外諧振相關(guān)的模式理論。特征模由于其清晰的物理概念,以及在數(shù)學(xué)上可作為正交的全域基函數(shù)等優(yōu)點(diǎn),近來被廣泛被應(yīng)用于天線工程中。特征模可以為工作于諧振狀態(tài)的天線提供更為物理的、本質(zhì)的解釋,從而幫助人們更好地理解諧振型天線的工作機(jī)理。另一方面,具有OAM屬性的波束的研究近年來從光波段拓展到了微波波段,OAM波束特殊的相位波前及其模態(tài)的正交性使得其有著巨大的應(yīng)用前景,可被應(yīng)用于成像、目標(biāo)探測(cè)、近場(chǎng)感知和通信等領(lǐng)域,亦是當(dāng)前電磁領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。當(dāng)前電磁渦旋依舊存在很多問題尚待解決,比如擴(kuò)散角問題,高純度高模態(tài)問題等�；谝陨峡紤],本文結(jié)合特征模理論在渦旋波天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的探索和研究工作,以彰顯特征模理論在OAM天線設(shè)計(jì)中的價(jià)值。首先,作為前置工作,把現(xiàn)有的微波波段OAM產(chǎn)生方法抽象概括為四類分析模型,同時(shí)依托于分析模型指出該如何提取圓極化的OAM波束的軌道角動(dòng)量數(shù);然后,結(jié)合兩類矢量分析模型,采用分析模型構(gòu)建、特征模擬合分析模型、全波驗(yàn)證的思路流程,做了一系列OAM天線設(shè)計(jì)的工作;最后,通過上述分析過程形成的成果包括:八木形式的環(huán)形OAM天線、八邊形微帶貼片OAM天線以及平行磁電偶極子OAM天線。此外,采用八邊形微帶貼片OAM天線組陣仿真并實(shí)驗(yàn)證明了天線單元OAM模態(tài)數(shù)與陣列OAM模態(tài)數(shù)的可疊加性這一物理屬性。所有這些天線的輻射場(chǎng)都同時(shí)包含了自旋角動(dòng)量(Spin Angular Momentum,SAM)屬性和OAM屬性,因此這類天線可以被命名為全角動(dòng)量天線(All Angular Momentum,AAM),以表征其豐富的電磁多樣性。AAM天線的輻射場(chǎng)在空間分布上既有矢量渦旋波的特性又有標(biāo)量渦旋波的特點(diǎn),因此具有一定的潛在應(yīng)用價(jià)值(通信、成像等)。在設(shè)計(jì)這些天線的過程中,依次用到了概念延拓、模式拼接、模式修正等思想,這些思想也可以自然擴(kuò)展到其他類型的復(fù)雜模式的天線設(shè)計(jì)中去。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN822
【圖文】：

具體講述之前，先從宏觀上講一些基本概念。在工程中遇到的所有電磁場(chǎng)問題基本可以歸納為如下三類問題：圖1.1 工程電磁場(chǎng)問題分類這三類問題的前置條件以及研究對(duì)象如上圖所示。全波問題一般也稱之為電磁正問題，目的就是求解場(chǎng)分布。正問題解決的是輻射散射相關(guān)的問題，比如天線增益(Gain)、雷達(dá)截面(RCS)等，數(shù)值上主要應(yīng)用各類計(jì)算電磁學(xué)方法；逆散射問題也叫作電磁逆問題，一般是從已知的（部分）場(chǎng)分布去推測(cè)源的情況，應(yīng)用場(chǎng)景有雷達(dá)成像、波達(dá)估計(jì)等，主要借助各種信號(hào)處理的數(shù)學(xué)工具；本征問題可以認(rèn)為是以上兩類問題的前置問題，只從媒質(zhì)和邊界入手，研究的是物體的固有屬性，然后從這些固有屬性出發(fā)去研究可能的場(chǎng)分布和相關(guān)的源問題。研究者在溯源某些正問題或逆問題更深層次的物理背景的時(shí)候，常常會(huì)歸結(jié)到特定的本征問題中來。一項(xiàng)成熟的研究既要注重應(yīng)用也要注重原理，模式理論研究的價(jià)值與意義便在于此。本論文研究的是渦旋波的生成方法

波束且不發(fā)生串?dāng)_，這將大大提高空間頻譜利用效率。文獻(xiàn)[5]中描述的實(shí)驗(yàn)在 2011年首次實(shí)現(xiàn)了 OAM 在微波頻段的通信：圖1.2 渦旋波通信實(shí)驗(yàn)收發(fā)系統(tǒng)角度看，利用特定 OAM 模態(tài)的正交性可以提高端口隔離度，從而提高系統(tǒng)信號(hào)傳遞的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]用 OAM 天線實(shí)現(xiàn)了大于 45dB 的端口隔離度。

它們都是用到了 OAM 波束不同模態(tài)間正交特性，從而提升了系統(tǒng)的某些性能。圖1.3 利用渦旋波進(jìn)行超分辨目標(biāo)探測(cè)圖1.4 OAM 成像實(shí)驗(yàn)OAM 波束潛在用途甚廣，因此如何高效產(chǎn)生 OAM 波束便是一個(gè)值得深入研究的課題。本文將借助特征模這一理論工具對(duì)這一課題進(jìn)行深入研究，這是一個(gè)全新的角度。以這個(gè)角度作為切入點(diǎn)，可以幫助人們更好地理解并分析各類 OAM 天線的工作機(jī)理，同時(shí)可以引導(dǎo)研究者更高效地進(jìn)行 OAM 天線的設(shè)計(jì)，具有十分重要的工程指導(dǎo)意義。所以在下一節(jié)的調(diào)研中，也將重點(diǎn)關(guān)注 OAM 波束產(chǎn)生方面的研究，因?yàn)檫@是本文工作的核心點(diǎn)。而更多的應(yīng)用層面以及其他的一些對(duì)于 OAM 的批駁或討論[11]-[13]?

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3 郭

本文編號(hào)：2800853