电磁波涡旋的产生方法及应用研究
电磁波涡旋是微波领域内新兴的前沿研究热点之一，其以螺旋状等相面著称，自提出以后受到了广泛的关注和研究。电磁波涡旋特有的轨道角动量(Orbital angular momentum, OAM)的模式正交性和其丰富的相位特性，为无线通信和雷达探测体制提供了新的思路。通信方面，利用OAM模式间的正交性，可以在不占用频谱资源的基础上极大地提高通信的传输速度；雷达方面，利用电磁波涡旋在不同方向上的相位差异可以进一步提高目标的识别分辨率，获取更多的目标特性信息。 本文针对电磁波涡旋应用如涡旋通信和涡旋雷达应用中存在的技术性问题，进行了理论推导分析和方法研究，提出了圆形阵列生成OAM的方法、电磁涡旋扫描技术、涡旋雷达超分辨算法以及基片集成波导槽状结构波束窄化技术，通过仿真和实验验证了所提方法的有效性和可行性。 针对均匀圆形天线阵列(Uniform circular array, UCA)中部分工作单元失效的情况，推导了任意圆形阵列波函数的数学表达式，评估了单元失效对OAM模产生的影响。理论分析表明，由于其他杂模的引进破坏了主模的正交性，均匀圆形阵列残阵产生OAM模时存在失真效应。基于理论结果，本文采用了正交贪婪(Orthogonal matching pursuit, OMP)算法，凸优化(Convex tool, CVX)算法和数学解析法对馈电进行重新设计，从而获得较好的主模正交性。仿真结果表明了理论推导的正确性，同时验证了提出的馈电方法产生OAM的可行性。 针对涡旋通信时收发端天线存在的失准问题，提出了基于UCA的涡旋扫描技术，研究了涡旋扫描的俯仰角、水平方位角对OAM模态的影响，评估了涡旋扫描技术的辐射特性和传输特性。同时设计了基于微带线馈电网络的圆形贴片天线阵列，实验验证了涡旋扫描技术的可行性。结果表明，涡旋扫描技术可实现失准情况下涡旋的重新对准，有效解决小角度失准情况下的涡旋通信。 为了进一步提高涡旋雷达的目标分辨率，提出了基于多重信号分类(Multiple signal classification, MUSIC)超分辨涡旋雷达估计算法。仿真结果表明，提出的算法可以极大地提高目标估计分辨率，在低信噪比条件下性能比传统估计算法更加优越。 涡旋天线的方向图波束呈现分叉的形状，而较大的波束角度则会使涡旋通信的距离急剧下降，故需要研究涡旋天线的波束窄化技术。借鉴平面槽状结构可以实现涡旋天线的波束窄化，但是目前的槽状技术主要以金属结构为主，体积较重，不便用于狭小空间的无线终端。研究质量较轻的平面槽状结构天线可为后续的涡旋天线槽状结构窄化技术提供技术支持。本文提出的基片集成波导(Substrate integrated waveguide, SIW)槽状结构技术，其仅仅需要单层介质板，设计复杂度低，且性能优越，可以有效解决该问题。同时分别对基于微带线过渡结构和接地集成共面波导(Grounded SIW, GCPW)过渡结构的SIW槽状天线进行了设计和研究。实验结果表明基于GCPW的过渡结构可以获得较宽的带宽，可进一步提高天线的增益，同时抑制交叉极化水平。 本文对电磁波涡旋相关技术的研究成果为后续涡旋天线设计和涡旋雷达的研究开展提供了理论基础和实验结果支撑，有利于推动该领域相关技术的发展。
电磁波涡旋;轨道角动量;涡旋雷达;圆形阵列;OAM扫描;波束窄化;波导
国防科学技术大学
博士
电子科学与技术
刘培国
2018
中文
TN823.25
2020-04-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）