電磁軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)是近年來電磁場領域的研究熱點。原因在于,其可能成為一個新的信息調制維度,極大擴展電磁波承載和傳遞信息的能力。近三十年來,無論是在光學領域還是微波領域,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構,因此又被稱為渦旋電磁波或者渦旋波。由于不同拓撲電荷數(shù)的渦旋電磁波彼此嚴格正交,這些渦旋波可以在空間中互不干擾的獨立傳播。理論上不同模式的渦旋波可以形成互相獨立的信道或者互相獨立的觀測,這一特性為其在通信或者雷達領域的應用提供了巨大前景。為了將渦旋電磁波應用于更廣泛的物理系統(tǒng),應該系統(tǒng)性地研究三個方面的內容,渦旋波的輻射,傳播和接收。本文將從多個角度,采用多種方法對渦旋波的輻射問題進行系統(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:螺旋反射結構(開口拋物面),螺旋透射結構(螺旋相位片),高次模輻射結構(微帶高次模,介質棒天線等),環(huán)形天線陣列。目前渦旋波輻射結構均可以歸結為以上四種方案,或者其變形。引入適當?shù)南辔徊钍瞧浜诵乃悸�。在前人工作的基礎上,本文主要希望解決,渦旋波輻射系統(tǒng)復雜,帶寬受限,剖面過高,模式單一的問題。在不同的應用場景下,這些問題的優(yōu)先級顯然不同,但都在一定程度上制約了 OAM系統(tǒng)的應用范圍。因此,為上述問題提供解決思路可以進一步擴大OAM系統(tǒng)的應用領域。論文的主要研究內容分別概括如下:第一,設計了一種無需移相的圓環(huán)天線陣列用以輻射渦旋電磁波。首先,詳細分析了傳統(tǒng)渦旋電磁波圓環(huán)天線陣的工作原理。在此基礎上,推導了無需移相的圓環(huán)天線陣列輻射渦旋電磁波的工作原理,總結了無需移相的圓環(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,設計制作了天線陣列樣品進行仿真和實驗驗證。第二,主要介紹寬帶電磁波自旋角動量和軌道角動量之間的耦合方法。首先,介紹自旋角動量和軌道角動量間耦合的物理機制和條件。然后,設計符合上述條件的超材料單元,并提取其等效電路結構,分析其頻率響應以及寬帶特性,總結優(yōu)化方法和設計規(guī)律。最后加工實驗樣品,并將仿真與實驗結果相比較。得到較好的效果。第三,介紹基于阻抗調制表面的渦旋電磁波天線。首先介紹阻抗調制表面天線的工作原理。其次,設計輻射渦旋電磁波所需的阻抗分布,然后通過金屬縫隙結構實現(xiàn)上述阻抗分布。最后進行仿真實驗驗證設計理論。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綜合方法。然后基于諧波展開法,隨機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,并通過樣品加工和實驗測試驗證相關設計理論和方法。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：O441.4
【部分圖文】：

?第１章緒論???１．１．１渦旋電磁波在雷達系統(tǒng)中的應用??國內外的研究人員對渦旋電磁波在雷達成像上的應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??射點的回波模型顯示出渦旋電磁波對雷達目標具有方位向成像的潛力ＩＭ。但是基??于傅里葉變換的成像結果中存在對稱的“偽像”，如圖１．１（ａ）所示，并且該方法??不能實現(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）方位維成像結果；（ｂ）方位維和俯仰維成像結果??２０１５年，國防科技大學的Ｋ．?Ｌｉｕ等人利用均勻圓形天線陣產生渦旋電磁波??對目標進行成像實驗，通過不同頻點下的回波數(shù)據實現(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?７??／??／?Ｉ?Ｐ｛ｒ，Ｂ．ｇｔ）??（ａ）?（ｂ）??圖１．２⑷ＭＩＭＯ接收方式；（ｂ）ＭＩＳＯ接收方式??通過推導回波表達式發(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)成反比關系。??在ＭＩＭＯ方式下，基于傅里葉變換的距離和方位二維成像結果如圖１．３（ａ）所示，??可以看到在方位維存在對稱的“

?第１章緒論???１．１．１渦旋電磁波在雷達系統(tǒng)中的應用??國內外的研究人員對渦旋電磁波在雷達成像上的應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??射點的回波模型顯示出渦旋電磁波對雷達目標具有方位向成像的潛力ＩＭ。但是基??于傅里葉變換的成像結果中存在對稱的“偽像”，如圖１．１（ａ）所示，并且該方法??不能實現(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）方位維成像結果；（ｂ）方位維和俯仰維成像結果??２０１５年，國防科技大學的Ｋ．?Ｌｉｕ等人利用均勻圓形天線陣產生渦旋電磁波??對目標進行成像實驗，通過不同頻點下的回波數(shù)據實現(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?７??／??／?Ｉ?Ｐ｛ｒ，Ｂ．ｇｔ）??（ａ）?（ｂ）??圖１．２⑷ＭＩＭＯ接收方式；（ｂ）ＭＩＳＯ接收方式??通過推導回波表達式發(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)成反比關系。??在ＭＩＭＯ方式下，基于傅里葉變換的距離和方位二維成像結果如圖１．３（ａ）所示，??可以看到在方位維存在對稱的“

?第１章緒論???核的Ｈｉｌｂｅｒｔ變換然后進行兩維的傅里葉變換獲得成像結果，如圖１．３（ｂ）所示，成??像結果中的“偽像”被消除了，但是距離和俯仰角存在耦合關系。??ｍ－??■?：?＂?：．??．－．－?．．．?＊＊＊■?？?？：??－??＊？?ｒ?｜?，．ｉ－?＊Ｔ??？？?■??」Ｌ?？??（ａ）?（ｂ）??圖１．３?（ａ）ＭＩＭＯ方式的成像結果；（ｂ）?ＭＩＳＯ方式下回波經過Ｈｉｌｂｅｒｔ變換后的成像結果［２３］??２０１６年，Ｋ．?Ｌｉｕ所在的研宄小組在ＭＩＳＯ接收方式下推導了雷達發(fā)射線性??調頻信號時的回波表達式［２４］。由于發(fā)射的是寬帶信號，所以經過距離維的脈沖壓??縮和方位維傅里葉變換可以得到兩維成像結果。圖１．４顯示了四個散射點的仿真??成像結果。??４〇？?？）；０?９４〇?９６０?Ｍｌ？）?ＨＷｆ?１０２０?ＨＭＯ?�。埃＃�?Ｍ＞？０?ＭＯＯ??ｒｗｇｃｒ?ｍ??圖１．４四個散射點的成像結果［２４］??由于不同模式數(shù)下ＵＣＡ產生的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）通過調節(jié)不同??模式數(shù)對應的陣列半徑來使ＯＡＭ波在俯仰方向的波束指向一致『２義然后該小組??推導了?ＵＣＣＡ發(fā)射線性調頻信號的回波表達式，通過對模式數(shù)做傅里葉變換得??到了方位維的成像結果，如圖１．５（ａ）所示。結合距離維的脈沖壓縮技術，可以得??到距離和方位的兩維成像結果，如圖］．５（ｂ）所示。??°１?ｍ?１??ＯＨ??０?０．１?０２?９５０?１０００?１０５０
【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 郭桂蓉;胡衛(wèi)東;杜小勇;;基于電磁渦旋的雷達目標成像[J];國防科技大學學報;2013年06期

相關博士學位論文 前1條

1 齊美清;超材料透鏡和超表面對電磁波的調控及應用[D];東南大學;2016年

相關碩士學位論文 前1條

1 武華陽;無線軌道角動量通信與雷達目標成像技術研究[D];浙江大學;2017年

本文編號：2887391