涡旋电磁波的产生、传播及散射特性研究

论文摘要

近年来,携带轨道角动量的涡旋电磁波由于其在无线通信、雷达探测、成像等方面的应用潜力逐渐为研究者所重视。轨道角动量作为电磁波的一项基本属性,直到20世纪末才首先在光波段被使用,而微波频段轨道角动量电磁波的相关研究则正处于蓬勃发展的阶段。事实上,轨道角动量复用可以极大的拓宽无线通信的带宽从而提升频谱利用率,此外将携带轨道角动量的电磁波用于雷达成像可以获得方位和俯仰方向分辨率的突破。因此,对涡旋电磁波的产生、传播及散射特性进行研究对无线通信等相关领域的发展有着重要意义。本文基于涡旋电磁波基本理论以及谱分析理论,通过仿真计算和实验测试等手段对涡旋电磁波的生成方法,相位纯度、辐射方向图等传播特性以及照射简单目标时的散射特性进行了探讨。本文工作主要包括以下几方面:第一,涡旋电磁波的产生。较为系统的介绍并分析了圆柱螺旋天线和圆锥螺旋天线用于产生涡旋电磁波的原理和方法;在此基础上提出了一种结构简单紧凑、模态纯度高且易于调控的新型多臂螺旋轨道角动量天线,并着重分析了其带宽特性;第二,涡旋电磁波传播特性研究。从幅度特性和相位特性,即辐射方向图和相位纯度两方面对涡旋电磁波的传播特性进行考察。首先分析了理想OAM口径场作为辐射源时不同模态涡旋电磁波的传播特性,然后基于圆柱螺旋天线这一具体辐射结构对其传播特性进行分析,最后讨论了螺旋天线参数对传播特性的影响;第三,涡旋电磁波的散射特性研究。首先建立计算模型,对涡旋波照射PEC球时散射体上的感应电流及散射场进行定性分析;接下来基于谱分析理论,建立涡旋电磁波的散射模型,并类比雷达散射截面的概念定义“回波主模占比”这一参数,用于衡量散射目标截获某一模态涡旋电磁波的能力;在此基础上对不同模态涡旋波照射理想导体球、无限长圆柱、平板等简单目标以及直二面角、双球及平板+球等复杂目标发生散射的双站回波主模占比进行计算,得出关于涡旋电磁波散射的一些基本规律。

论文目录

摘要

abstract

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 涡旋电磁波的产生

1.2.2 涡旋电磁波的传播与接收

1.2.3 涡旋电磁波的散射

1.3 本论文的结构安排

第二章涡旋电磁波的基本理论

2.1 轨道角动量与涡旋电磁波基本理论

2.1.1 涡旋电磁波的概念

2.1.2 涡旋电磁波的基本理论

2.2 涡旋电磁波的检测及纯度

2.2.1 涡旋电磁波检测的相位梯度法

2.2.2 基于相位梯度法的涡旋电磁波纯度方差判据

2.2.3 涡旋电磁波的谱分析理论

2.3 本章小结

第三章基于螺旋结构的新型OAM天线设计

3.1 螺旋天线基本原理

3.2 螺旋OAM天线分析

3.2.1 单臂OAM螺旋天线

3.2.2 多臂OAM螺旋天线

3.3 天线的OAM带宽特性

3.4 多臂螺旋OAM天线设计实例

3.5 本章小结

第四章涡旋电磁波的传播特性研究

4.1 理想涡旋波束的传播特性

4.1.1 理想OAM口径源

4.1.2 理想涡旋波传播的幅度特性

4.1.3 理想涡旋波传播的相位特性

4.2 基于螺旋天线的涡旋波束传播特性

4.2.1 天线结构

4.2.2 幅度特性

4.2.3 相位特性

4.2.4 天线结构参数对传播特性的影响

4.3 本章小结

第五章涡旋电磁波的散射特性研究

5.1 涡旋电磁波照射简单目标的初步分析

5.1.1 辐射源及计算模型

5.1.2 涡旋波照射简单目标感应电流及散射场分析

5.2 基于谱分析理论的涡旋电磁波散射模型

5.2.1 散射模型

5.2.2 回波主模占比

5.3 涡旋电磁波照射简单目标的散射谱分析

5.3.1 PEC球的散射

5.3.2 无限长PEC圆柱的散射

5.3.3 PEC正方体的散射

5.4 涡旋电磁波照射复杂目标的散射谱分析

5.4.1 直二面角的散射

5.4.2 双球的散射

5.4.3 平板+球的散射

5.5 涡旋电磁波照射复杂目标与简单目标对比

5.5.1 直二面角

5.5.2 双球

5.5.3 平板+球

5.6 本章小结

第六章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张哲源

导师: 宗显政

关键词: 轨道角动量,螺旋天线,纯度,散射

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: O451

总页数: 83

文件大小: 8254K

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