基于人工电磁超表面涡旋电磁波产生及目标近场散射

论文摘要

涡旋电磁波是一种携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）具有螺旋相位波前特殊空间分布的波束,由于不同拓扑荷对应着不同的确定OAM,导致涡旋电磁波有着不同相位波前、幅度和极化的空间分布。与传统频率调制、强度调制和极化调制技术相比,涡旋电磁波能够充分利用OAM进行信息调制和复用,可以有效地调高数据传输速率和密度。且不同旋向和螺旋状极化空间分布的涡旋电磁波,尤其是不同轨道角动量之间相互正交,增加了信息调制的自由度。在目标探测和成像应用等方面可以从反射波信号中获得更多的角向相位信息,为新体制雷达研究发展指明了方向。近年来,超材料成为光学、电磁学、信息学、材料学等交叉学科新的研究热点,而超表面作为超材料的二维表现形式,因其具有灵活度高、剖面低、易于加工等优点受到广泛关注。本文利用人工电磁材料（二维电磁超表面）实现了对电磁波的调控,产生了双频双线极化双模态、线圆极化可调、多波束多模态、双线极化双模态的衍射特性涡旋电磁波,以及利用表面波调制方法产生无衍射特性高阶贝塞尔涡旋电磁波进行了研究。利用表面波调制机制各向异性全息阻抗表面实现了线、圆极化混合模态涡旋电磁波近场检测。实现了对简单导体目标近场散射进行了理论计算和实验分析。主要在以下方面有了取得了成果:1.利用反射阵调制线极化入射波产生线、圆极化可变的方法,设计了一种多谐振十字正交分布双层贴片反射阵单元,数值分析了一个极化方向单元尺寸变化对另一个正交极化方向所实现相位补偿所产生的影响。实现利用线极化入射波不同的入射极化角度即可灵活实现线、圆极化涡旋电磁波的产生。2.基于正交极化分布的双频段谐振单元之间耦合可抑制技术,针对微带阵列天线产生涡旋电磁波固有的窄带缺陷,提出并设计了双极化、双频段、双波束携带不同轨道角动量涡旋电磁波的反射阵列天线。通过全波仿真和实验测量分析了两个单波段反射阵和双波段反射阵的辐射和传输特性,证明了两组多极子正交间隔排布可以有效抑制双频段之间的耦合效应,提高反射阵产生涡旋电磁波的带宽。3.研究了各向异性全息超表面调制表面波的基本理论,借鉴光学全息概念和微波漏波原理,将各向异性全息阻抗超表面创新性地引入到涡旋电磁波的产生中。率先提出了利用各向异性全息阻抗表面产生涡旋电磁波的新机理方法,设计、制备了一款工作于20GHz样机OAM模态值为+1的天线,测量了该涡旋波天线近场辐射性能,与仿真结果吻合良好。还对其他高阶拓扑荷值OAM产生进行研究,有效地解决了空间波调制机制下剖面较高的问题,为基于人工电磁表面的涡旋电磁波天线与其他系统相集成奠定了基础。4.提出了将多个不同空间辐射方向携带不同模态OAM涡旋电磁波作为物波。根据单个全息阻抗表面阵列调制即可产生多模态OAM涡旋电磁波的思想,设计并研制出在同一辐射方向上产生正交双线极化携带不同模态OAM的涡旋电磁波天线,实现在x轴极化方向上产生OAM模态值为+1,在y轴极化方向上产生OAM模态值为-1,测量与仿真结果吻合良好。各向异性全息超表面多模态和双极化调制的灵活性和波场调控,为多模OAM涡旋电磁波复用通信奠定基础。5.提出了基于表面波调制的各向异性全息阻抗表面产生高阶贝塞尔涡旋电磁波的方法。设计并研制了正一阶贝塞尔涡旋电磁波阵列天线,测量和仿真分析了高阶贝塞尔涡旋电磁波天线传输特性,证明了各向异性全息阻抗超表面可以产生无衍射特性高阶贝塞尔涡旋电磁波。该涡旋电磁波阵列天线不仅可以解决现阶段基于轴锥棱镜原理的空馈超表面调制空间波剖面较高的问题,还可以灵活控制空间辐射高阶贝塞尔涡旋电磁波的极化方式,为高阶贝塞尔涡旋电磁波的应用奠定了坚实基础。6.基于表面波调制下线、圆极化混合轨道角动量模态检测、分离研究。本文首先讨论了现阶段涡旋电磁波的检测方法,介绍了单模、双模轨道角动量接收方式和适用范围。设计、制备了线、圆极化混合模态OAM涡旋电磁波各向异性全息阻抗表面天线,研究了涡旋电磁波的检测方法,实验和理论上分析了基于空间波调制的空馈阵列超表面产生混合轨道角动量模态涡旋电磁波的传输系数在一定工作频率范围内的变化规律,实验验证了基于表面波调制机制下各向异性全息阻抗超表面实现线、圆极化混合轨道角动量模态的检测和分离。7.在高阶贝塞尔涡旋电磁波入射场、单轴各向异性介质板内场以及球矢量波函数与柱矢量波函数之间变换的基础之上,利用连续性边界条件推导了涡旋电磁波近场照射金属板、介质板、金属球的散射场解析解,数值分析了目标近场散射的幅相分布以及OAM模态变化情况,通过仿真和实验测量进一步对金属导体散射场的情况做出了分析。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孟祥帅

导师: 吴家骥

关键词: 涡旋电磁波,轨道角动量,各向异性全息阻抗,涡旋电磁散射,高阶贝塞尔波束

来源: 西安电子科技大学

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: 西安电子科技大学

分类号: O441.4

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.003154

总页数: 223

文件大小: 41067K

下载量: 296

相关论文文献

• [1].涡旋特征和轨迹演化的可视化研究[J]. 计算机时代 2020(02)
• [2].北太平洋涡旋对基于细尺度参数化的海洋内部混合的影响[J]. 海洋与湖沼 2020(02)
• [3].超短涡旋脉冲产生方法研究进展[J]. 激光与光电子学进展 2020(05)
• [4].可持续性涡旋的产生与测量[J]. 物理实验 2020(05)
• [5].基于流场分析的变截面涡旋齿的强度分析[J]. 流体机械 2020(05)
• [6].非经典涡旋光束在高数值孔径系统中的传播特性[J]. 西安电子科技大学学报 2020(04)
• [7].涡旋压缩机新型渐变壁厚涡旋齿的设计和工作特性研究[J]. 流体机械 2018(12)
• [8].海洋涡旋自动探测几何方法、涡旋数据库及其应用[J]. 海洋科学进展 2017(04)
• [9].基于二维超表面的多通道涡旋光束技术[J]. 光电工程 2017(03)
• [10].高功率涡旋光束产生方法研究进展[J]. 激光与光电子学进展 2017(07)
• [11].磁涡旋极性翻转的局域能量[J]. 物理学报 2016(21)
• [12].涡旋——大海的探戈[J]. 地理教育 2011(06)
• [13].大海的探戈——涡旋[J]. 百科知识 2010(18)
• [14].共轴双涡旋声束形成离轴多涡旋的定位[J]. 声学学报 2020(01)
• [15].冬季黑潮延伸体区域涡旋尺度海面温度季节内变化特征[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版) 2020(07)
• [16].涡旋激光阵列产生技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展 2020(09)
• [17].基于深度卷积网络的海洋涡旋检测模型[J]. 南京航空航天大学学报 2020(05)
• [18].基于卫星高度计和浮标漂流轨迹的海洋涡旋特征信息对比分析[J]. 海洋与湖沼 2019(04)
• [19].基于紧凑比率的海洋涡旋提取方法研究[J]. 测绘与空间地理信息 2019(09)
• [20].涡旋电磁波的理论与应用研究进展[J]. 微波学报 2018(02)
• [21].高阶相干涡旋和光涡旋的动态演化和传输轨迹[J]. 光电子·激光 2016(07)
• [22].涡旋压缩机涡旋齿温度分布与变形研究[J]. 工程热物理学报 2016(11)
• [23].光学涡旋应用于微测量的研究进展[J]. 激光杂志 2015(06)
• [24].大海的探戈——涡旋[J]. 科学24小时 2010(10)
• [25].涡旋态参与的约瑟夫森效应[J]. 江西科学 2014(04)
• [26].自散焦非局域非线性材料中的光学涡旋孤子[J]. 物理学报 2013(04)
• [27].环形涡旋光干涉叠加形成复合涡旋光的特性研究[J]. 山东科学 2013(02)
• [28].平面涡旋光叠加形成复合涡旋的理论分析[J]. 河北师范大学学报(自然科学版) 2012(02)
• [29].涡旋纹与涡旋结构的发生与演化[J]. 大舞台 2012(03)
• [30].涡旋泵涡旋齿的压力和温度场模型[J]. 化工机械 2011(05)

标签：涡旋电磁波论文;  轨道角动量论文;  各向异性全息阻抗论文;  涡旋电磁散射论文;  高阶贝塞尔波束论文;