隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的興起,移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)需求急劇增長(zhǎng),對(duì)無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸延遲、吞吐量等指標(biāo)的要求也不斷提高。然而緊缺的頻譜資源和傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的限制使得現(xiàn)有的無線通信技術(shù)無法滿足社會(huì)發(fā)展的需要,因此在微波毫米波頻段深入挖掘無線通信技術(shù)的潛力對(duì)新一代通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)調(diào)制參數(shù)如頻率、幅度、極化、相位等已經(jīng)得到較為充分的開發(fā)利用,難以進(jìn)一步提升頻譜效率。軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum,OAM)是電磁波的基本屬性之一,反映電磁波的空間相位分布。它的應(yīng)用可為電磁波的復(fù)用與調(diào)控提供新的物理參數(shù)維度,給傳統(tǒng)電磁領(lǐng)域帶來新的契機(jī)。目前OAM的研究工作大多集中在光學(xué)領(lǐng)域,射頻領(lǐng)域還有許多問題亟待解決。本文圍繞電磁波軌道角動(dòng)量特性,重點(diǎn)探討射頻域軌道角動(dòng)量波束的多種產(chǎn)生方法及其在傳統(tǒng)電磁領(lǐng)域新應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù),從理論分析到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)研究了射頻OAM波束的特性及潛在的應(yīng)用場(chǎng)景,為OAM波束的實(shí)用化提供可行的解決方案。論文提出了 一種基于環(huán)形行波天線產(chǎn)生OAM波束的新方法,旨在用連續(xù)源代替分立源,解決基于環(huán)形陣列天線產(chǎn)生OAM波束存在的主要問題,如饋電復(fù)雜、模態(tài)受限及相鄰單元間的耦合等。通過與周向環(huán)形偶極子陣列的等效模型輻射場(chǎng)進(jìn)行比較,理論上驗(yàn)證了環(huán)形行波天線產(chǎn)生OAM波束的可能性。在該方法指導(dǎo)下,設(shè)計(jì)了一種基于環(huán)形行波諧振腔結(jié)構(gòu),饋電簡(jiǎn)單的OAM縫隙天線。應(yīng)用波導(dǎo)理論研究了天線的諧振模式,分析了天線的尺寸結(jié)構(gòu)、輻射方式和激勵(lì)模式對(duì)OAM波束產(chǎn)生的影響,總結(jié)出這種基于環(huán)形諧振腔縫隙結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計(jì)原則。另外通過在環(huán)形行波諧振腔縫隙天線的外圍加上環(huán)形喇叭,獲得了具有平面螺旋結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)二維OAM波束,有效解決傳統(tǒng)OAM波束中心相位奇點(diǎn)、不同波束發(fā)散性不一致等問題,拓展了 OAM波束在傳統(tǒng)電磁領(lǐng)域的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)OAM天線的小型化、集成化,利用基片集成波導(dǎo)(SubstrateIntegratedWaveg-uide,SIW)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 平面結(jié)構(gòu)上的 OAM 波束產(chǎn)生。在環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過基片集成波導(dǎo)和金屬波導(dǎo)的等效,設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了基于半�；刹▽�(dǎo)技術(shù)的OAM模式復(fù)用天線。將多個(gè)諧振腔在平面上疊加設(shè)計(jì)以縮減尺寸并復(fù)用不同模態(tài),近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果表明天線在10 GHz產(chǎn)生了模態(tài)l= ±2和土6的OAM波束。利用超表面等新型電磁器件設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)了 60GHz上的OAM波束產(chǎn)生和聚焦,相比傳統(tǒng)螺旋相位板借助平面透鏡進(jìn)一步減小了波束發(fā)散角。通過分析多層相移表面結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)傳輸參數(shù)的影響,設(shè)計(jì)了一系列單元結(jié)構(gòu),在覆蓋2π的相移范圍的同時(shí)減小損耗�；谙辔化B加原理,將單元結(jié)構(gòu)排列形成疊加平面透鏡的新型螺旋相位板,在產(chǎn)生的同時(shí)對(duì)波束聚焦,得到了模態(tài)l=1的OAM波束。在各種OAM波束產(chǎn)生方法基礎(chǔ)上,開展了 OAM波束在計(jì)算成像和波束賦形方面的新應(yīng)用研究�；趬嚎s感知原理,利用不同模態(tài)OAM波束的特殊相位分布和正交性構(gòu)成測(cè)量矩陣,稀疏場(chǎng)景的信息重構(gòu)能夠在測(cè)量次數(shù)有限的情況下通過求解優(yōu)化問題計(jì)算得到。據(jù)此設(shè)計(jì)了基于平面OAM波束的成像實(shí)驗(yàn),在10GHz單頻利用12個(gè)平面OAM模態(tài)輻射場(chǎng)和散射回波得到了環(huán)形區(qū)域的散射體位置信息,方位角分辨率為2°。由于軌道角動(dòng)量波束具有不同空間相位分布,可以看成電磁波的一組完備正交基�；谶@一原理,利用平面OAM波束的有效疊加實(shí)現(xiàn)了電磁波二維平面的波束賦形和波束掃描。首次從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面提出并論證了 OAM波束作為本征模實(shí)現(xiàn)電磁波調(diào)控的可能性,對(duì)模態(tài)群組的參數(shù)調(diào)控能夠控制合成波束的波束寬度、主瓣數(shù)目和波束指向等性質(zhì),為OAM波束在雷達(dá)和通信中的應(yīng)用提供新的思路。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

ＯＡＭ）兩部分。自旋角動(dòng)量的表征形式為電磁波的極化態(tài)，即電場(chǎng)強(qiáng)度的取向和賦值隨時(shí)逡逑間變化的性質(zhì)。根據(jù)極化態(tài)，電磁波可分為線極化波、圓極化波和橢圓極化波，電場(chǎng)矢量逡逑軌跡分別呈直線、圓形和橢圓形，如圖１－１所示。極化分集技術(shù)在提高通信容量，雷達(dá)目標(biāo)逡逑檢測(cè)，抗干擾技術(shù)等領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用［７］。逡逑（ａ）邋ｉｌ邐（ｂ）邋“逡逑l掑危鈴義賢跡保輩煌牡緋》較潁ǎ幔┫嘸ǎ猓┰布義系绱挪ǖ墓斕瀾嵌吭蟣碚韉绱挪ǖ目占浣峁�，壤_跡保玻郟福藎煌模希粒湍Ｌ雜Σ誨義賢資穆菪轡徊ㄇ�，唾Z校ǎ幔┑劍ǎ洌┍硎鏡模希粒湍Ｌ直鷂阱澹藉澹爸粒阱澹藉澹場(chǎng)Ｐ繡義瞎斕瀾嵌康牟ㄊ�，即涡旋波束的基本特蒸|淺》至啃邢轡幌釔渲校曄切槭義系ノ唬謔牽希粒湍Ｌ資�，可取值任意整数，９Ｕn晗檔姆轎喚竅頡Ｍ跡保呈牽希粒灣義希插義

本文編號(hào)：2833098