射频轨道角动量波束性质及应用研究

论文摘要

携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的电磁波束同时具有正交性和涡旋性。不同拓扑荷(Topological Charge,TC)的OAM波束相互正交,可为电磁波的复用和调制提供新的物理参数维度;不同拓扑荷的OAM波束具有不同的螺旋相位分布,则增加了空间中场的多样性。因此,基于OAM的电磁新技术给传统电磁应用带来了新的契机,具有很大的应用前景。论文在介绍OAM波束研究现状的基础上,分析了在射频OAM波束研究中亟待解决的问题,重点研究了射频OAM波束的局部性质、射频OAM天线的性能表征以及OAM波束在电磁应用中的关键技术。射频OAM波束的发散问题比光域OAM波束更严重,在实际应用场景中很难接收到完整孔径的OAM波束,这使得传统的角动量(Angular Momentum,AM)理论在射频OAM波束的实际应用中并不适用。论文从实际应用出发,理论推导并分析了射频OAM波束的局部AM特性,丰富并拓展了射频OAM理论:首次提出了局部耦合角动量(Coupling Angular Momentum,CAM)的概念,并用基于极化的模式分解法分析了局部CAM存在的原因;在此基础上推导了任意极化射频OAM波束的局部AM分解和拓扑荷局部估计方法,为未来局部利用射频OAM波束提供了良好的理论依据。针对现有的射频OAM天线表征参数很少考虑射频OAM波束实际应用这一问题,论文提出了射频OAM天线的新表征参数:接收方向图、纯度带宽和模式相位线性度。与传统天线性能指标仅和天线辐射场强相关不同,新定义的表征参数充分考虑了射频OAM波束的幅度、相位分布特性及其在实际应用中的模式解调方式。在此基础上,用新定义的表征参数对10GHz拓扑荷为3的宽带OAM螺旋天线的性能进行了具体分析,发现新表征参数对射频OAM天线的应用具有较好的指导意义。在射频OAM波束的相关应用研究中,论文首先利用射频OAM波束特有的角向波矢,研究了射频OAM波束旋转多普勒效应。考虑射频OAM波束的发散性,搭建了测量旋转多普勒效应的局部接收实验系统,分析了接收位置偏移和旋转平面偏转对旋转多普勒效应的影响;首次实验测量了拓扑荷绝对值大于1的射频OAM波束的旋转多普勒效应,获得了高的测速精度。另外,为了减小接收天线偏离和旋转平面偏转的影响,提出了一种利用平面轨道角动量(Plane Spiral Orbital Angular Momentum,PSOAM)波束的二维矢量速度探测方案。最后,论文初步探索了基于PSOAM波束叠加构建的平面结构电磁波在雷达成像和无线通信中的新应用模式。基于平面结构电磁波束的成像系统利用定向波束扫描和多信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法对探测物体进行成像。这种成像方法利用定向波束的高增益性能,获得了比传统OAM成像更高的周向分辨率。而基于平面结构电磁波束的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)通信系统,同时利用了平面结构电磁波的准正交性、涡旋性以及定向性,能获得比传统MIMO通信系统更高的容量增益。这些结果为射频OAM波束在传统电磁领域中的应用提供了新思路。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郑佳瑜

导师: 章献民

关键词: 轨道角动量,局部性质,天线性能,旋转多普勒效应,结构波束,雷达成像,无线通信

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 浙江大学

分类号: O441.4;TN822

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000013

总页数: 138

文件大小: 13609K

下载量: 209

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