基于圆环阵列的涡旋电磁波产生方法研究

摘要

涡旋电磁波是一种携带轨道角动量的电磁波，它具有独特的传播特性，在雷达探测和通信领域具有广阔的应用背景。涡旋电磁波的产生方法主要有三种：反射移相、透射移相和阵列天线。其中反射移相和透射移相虽然方法简单，但是人为难以调控，而基于阵列天线的产生方法可以通过控制天线单元的馈电相位实现不同模式的涡旋电磁波的产生。本文主要研究基于圆环阵列的涡旋电磁波产生方法。
　　首先，本文求解了涡旋电磁波场解的解析表达式，并且研究了涡旋电磁波的传播特性。接着，本文分析了采用单环圆阵产生涡旋电磁波。通过理论推导证明了圆环阵列能够产生涡旋电磁波，并且通过仿真重点分析了阵列结构的参数对涡旋电磁波涡旋特性的影响。最后根据之前分析的结论设计了一种单环圆阵结构。该结构不仅具有良好的远场特性，其零深区域仅有16，零深深度为-22dB，而且可以实现模式数纯度高的多种模式数的涡旋电磁波的产生。
　　其次，本文分析了采用多环圆阵产生涡旋电磁波。针对采用单环圆阵产生的涡旋电磁波会出现零深区域过大和副瓣较高的问题，本文提出了采用多环圆阵来减小零深区域，并通过幅度加权来实现降低副瓣。通过仿真发现，采用泰勒分布不仅使零深区域减小到12°，而且使得副瓣降低到-16dB。
　　然后，通过实验的方式验证了本文的结论。其中为满足天线单元所需要的幅度相位要求，本文采用基于DDS的多通道射频移相网络。该网络能够实现幅度相位的精确控制，提高了产生的涡旋电磁波的质量。之后分别测量了远场方向图和相位分布，测量结果与仿真吻合较好。
　　最后，对全文的研究内容做了概括和总结，并提出了下一步的研究方向。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究历史及现状

1.3 本文的主要工作

第二章 涡旋电磁波的理论分析

2.1 涡旋电磁波的场解分析

2.2 涡旋电磁波的传播特性

2.3 本章小结

第三章 基于单环圆阵的涡旋电磁波产生方法研究

3.1 圆环阵列产生涡旋电磁波的原理

3.2 单环圆阵设计

3.3 模式提取方法

3.4 参数分析

3.5 单环圆阵产生涡旋电磁波仿真

3.6 本章小结

第四章 基于多环圆阵的涡旋电磁波产生方法研究

4.1 多环圆阵设计

4.2 幅度加权分析

4.3 多环圆阵产生涡旋电磁波仿真

4.4 本章小结

第五章 实验验证

5.1 实验系统构建

5.2 单环圆阵的实验验证

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果