發(fā)布時間：2020-10-30 18:19

　　 準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在自由空間低損耗地傳播電磁信號,并將信號分成不同頻段、不同極化的多個通道進(jìn)行處理。因此,準(zhǔn)光技術(shù)廣泛地應(yīng)用于深空探測和微波遙感領(lǐng)域。近年來,深空探測以及微波遙感系統(tǒng)的工作頻率逐漸進(jìn)入到毫米波、亞毫米波太赫茲頻段。頻率的升高對準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出了更高的要求。首先,頻率的升高對準(zhǔn)光器件的設(shè)計、加工、仿真帶來了更多的挑戰(zhàn)；其次,準(zhǔn)光系統(tǒng)中的通道數(shù)越來越多,對準(zhǔn)光系統(tǒng)的小型化提出了苛刻的要求；最后,在如此高的頻率下,如何成功地測試準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體電性能是一個迫切需要解決的實際問題。在這種需求的背景下,作者圍繞三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的仿真和實驗驗證,開展了一系列的研究,包括三維準(zhǔn)光系統(tǒng)的仿真、系統(tǒng)小型化設(shè)計和毫米波亞毫米波太赫茲緊縮場測試。本文主要研究內(nèi)容包括模塊化三維衍射高斯波束分析方法的實現(xiàn)、三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研制以及高斯波束分析方法應(yīng)用于毫米波亞毫米波太赫茲緊縮場的電性能仿真驗證。本文的主要貢獻(xiàn)在于：首先,本文在二維高斯波束分析方法的基礎(chǔ)上提出并實現(xiàn)了一種模塊化三維衍射高斯波束分析方法。該方法由框架Gabor展開、三維高斯波束反射以及衍射技術(shù)組成。在整個算法中,采用了全平面展開、全鏡面分析以及新的三維高斯波束衍射技術(shù)。該方法能夠分析三維的準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),從而解決了倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院提出的衍射高斯波束分析方法只能分析二維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的問題。整個方法的分析流程如下：a)在入射展開平面上,場分布采用框架Gabor變換分解為一系列矢量形式的子高斯波束的疊加；b)利用高斯波束傳播理論追蹤這些子高斯波束、求解其與鏡面的交點、對局部的鏡面進(jìn)行雙拋物面的建模、并給出了高斯波束入射到雙拋物面反射或衍射的解析表達(dá)式；c)總的出射場分布是所有子高斯波束反射場和衍射場的疊加；d)如果是最后一個鏡面,則分析結(jié)束,否則將出射場再次展開成為子高斯波束的疊加,繼續(xù)分析下一個器件。在三維高斯波束分析方法中,本文最重要的創(chuàng)新點是提出了一種三維高斯波束入射到半拋物面的衍射方案。在這種方案中,半拋物面的切平面不一定在拋物面的主軸方向上,從而將Zogbi的衍射方案拓展到了實際的應(yīng)用場景,能夠分析偏置鏡面的邊緣衍射問題。同時,本文將這套算法集成到了可視化仿真軟件SiMatrix中,使其能夠仿真三維的準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其次,為了驗證模塊化三維高斯波束分析方法的精確性,本文設(shè)計、仿真并測試了一套雙通道三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用了兩層結(jié)構(gòu),工作在183GHz和325GHz的大氣水汽吸收峰,包括兩個波紋喇叭饋源、三個橢圓反射面以及一個頻率選擇表面等關(guān)鍵器件。系統(tǒng)采用頻率選擇表面對兩個頻段進(jìn)行分離。其中,325GHz通道的信號透射過頻率選擇表面在上層板傳輸,而183GHz通道的信號被頻率選擇表面反射到下層板接收。本文采用模塊化三維衍射高斯波束分析方法以及天線近場掃描技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和測試,仿真結(jié)果與測試結(jié)果在遠(yuǎn)場方向圖主瓣區(qū)域的吻合度達(dá)到了-30dB,從而驗證了算法的精確性。與傳統(tǒng)準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所有器件都在同一個平面上的結(jié)構(gòu)二維結(jié)構(gòu)相比,三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊,滿足了準(zhǔn)光系統(tǒng)小型化設(shè)計的需求。本文探討了三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的一些關(guān)鍵問題,例如波束入射角的選擇、頻率分離的方案以及三維網(wǎng)絡(luò)的空間布局,對今后更為復(fù)雜的三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計提供了借鑒。除上述主要工作以外,本人有幸參與了“十二五”民用航天預(yù)先研究項目中的部分工作,采用高斯波束分析方法對緊縮場系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,仿真的結(jié)果與測試的結(jié)果在靜區(qū)范圍內(nèi)幅度相差小于1.1dB,與商業(yè)軟件GRASP的物理光學(xué)法相比幅度相差小于1dB,而在325GHz以上計算效率是物理光學(xué)法的五倍以上,證明了高斯波束分析方法在分析電大尺寸的反射面系統(tǒng)時的高效性,為今后設(shè)計更高頻率、更大口徑的太赫茲反射面緊縮場系統(tǒng)提供了一種快速設(shè)計驗證的手段。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN929.1
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 準(zhǔn)光技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展
        1.1.1 準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展和挑戰(zhàn)
        1.1.2 準(zhǔn)光技術(shù)中的高頻電磁計算方法
        1.1.3 毫米波、亞毫米波頻段測試技術(shù)的發(fā)展
    1.2 論文研究內(nèi)容
    1.3 論文主要創(chuàng)新點
    1.4 論文結(jié)構(gòu)安排
第二章 高斯波束基本理論
    2.1 高斯波束的近軸近似解
    2.2 象散高斯波束及其特性
    2.3 準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)的饋源系統(tǒng)
    2.4 本章小結(jié)
第三章 模塊化三維衍射高斯波束分析方法
    3.1 高斯波束的展開技術(shù)
        3.1.1 雙窗口函數(shù)的求解
        3.1.2 場的分解和合成
    3.2 高斯波束的反射技術(shù)
        3.2.1 三維象散高斯波束入射到雙拋物面的反射
        3.2.2 曲面參數(shù)的求解
    3.3 高斯波束的衍射技術(shù)
        3.3.1 三維象散高斯波束入射到半拋物面的衍射
        3.3.2 衍射算法數(shù)值仿真驗證
        3.3.3 與邊界衍射波理論進(jìn)行對比
    3.4 三維衍射高斯波束分析方法數(shù)值模擬實例
    3.5 帶頻率選擇表面的系統(tǒng)仿真
    3.6 三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)仿真軟件SiMatrix的實現(xiàn)
        3.6.1 鏡面統(tǒng)一建模和三維的實現(xiàn)
        3.6.2 二維和三維系統(tǒng)仿真對比
        3.6.3 三維可視化仿真軟件SiMatrix的工程化
    3.7 本章小結(jié)
第四章 雙通道三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和驗證
    4.1 通道三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計
    4.2 準(zhǔn)光系統(tǒng)關(guān)鍵器件的設(shè)計、加工和測試
        4.2.1 波紋喇叭饋源的設(shè)計
        4.2.2 橢球鏡的設(shè)計
        4.2.3 頻率選擇表面的設(shè)計
    4.3 三維準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的加工和測試
    4.4 本章小結(jié)
第五章 高斯波束分析方法在太赫茲緊縮場系統(tǒng)中的應(yīng)用
    5.1 三反射鏡緊縮場系統(tǒng)簡介
        5.1.1 三反射鏡緊縮場系統(tǒng)性能指標(biāo)簡介
        5.1.2 三反射鏡緊縮場系統(tǒng)設(shè)計流程簡介
    5.2 高斯波束分析方法對三反射鏡緊縮場的仿真
        5.2.1 三反射鏡緊縮場系統(tǒng)在SiMatrix中的建模
        5.2.2 三反射鏡緊縮場系統(tǒng)仿真流程
        5.2.3 三反射鏡緊縮場系統(tǒng)仿真結(jié)果
        5.2.4 緊縮場天線測量系統(tǒng)自動化測試和校準(zhǔn)軟件
    5.3 本章小結(jié)
第六章 結(jié)束語
    6.1 論文的研究意義和應(yīng)用價值
    6.2 對未來研究工作的展望
參考文獻(xiàn)
附錄1 縮略語說明
致謝
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

【參考文獻(xiàn)】

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1 杜惠平，王長生;Gabor展開法及其在波場分析中的應(yīng)用[J];重慶郵電學(xué)院學(xué)報;1994年02期

本文編號：2862836