用于涡旋电磁波成像的阵列天线方向图综合研究

摘要

涡旋电磁波由于在拓扑荷域提供了新的自由度，近两年在无线通信领域成为研究热点，涡旋电磁波的扭曲结构具有轨道角动量（OAM，Orbital Angular Momentum），据此，涡旋电磁波利用拓扑荷变量与方位角变量之间的对偶关系，可以实现方位向的高分辨率成像。涡旋电磁波成像的关键核心问题是天线方向图不满足成像要求，为了实现涡旋电磁波的成像，涡旋电磁波发射天线必须能够产生任意拓扑荷数的涡旋电磁波。目前，能够产生涡旋电磁波且在技术上容易调控天线方向图的简单方法是采用同心圆环阵列作为发射和接收阵列天线。而传统的阵列天线方向图综合如泰勒综合法、贝利斯综合法均针对平面电磁波，在涡旋电磁波方面未涉及，因此必须开展涡旋电磁波成像的阵列天线方向图综合研究，解决涡旋电磁波成像中涡旋电磁波发射和接收的关键技术问题，为涡旋电磁波成像的实验研究提供理论支撑和设计指导。 为获得更高的电磁成像分辨率，解决涡旋电磁波成像中产生任意拓扑荷数电磁波的技术难题，本论文通过对同心圆形阵列天线辐射方向图的研究，建立同心圆形阵列天线的辐射数学模型，提出符合涡旋电磁波成像要求的方向图综合方法，为同心圆形阵列天线设计提供理论支撑。本论文采用多个共心圆环阵列天线，控制每个天线单元的幅度和相位，并提出一种算法以综合出低副瓣电平、辐射方向可控、能产生任意拓扑荷的涡旋电磁波方向图。最后通过对涡旋电磁波的方位向一维成像、距离向和方位向的二维成像的理论分析和数值仿真来验证综合后的阵列天线进行OAM成像的可行性，为其在涡旋电磁波应用于雷达目标成像等领域的技术应用提供理论支撑。 本文的主要工作和创新点如下： （1）提出一种天线方向图综合方法，能够同时产生具有多个拓扑荷数的涡旋电磁波； （2）仿真研究基于涡旋电磁波的一维和二维成像。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 涡旋电磁波的基本概念

1.2.2 涡旋电磁波在通信领域的进展

1.2.3 涡旋电磁波在电磁成像领域的进展

1.2.4 涡旋电磁波的产生方法进展

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文结构安排

第二章 泰勒综合法

2.1 直线阵列的泰勒综合法

2.1.1 线源的等副瓣理想空间因子

2.1.2 泰勒空间因子

2.1.3 线源的泰勒分布

2.1.4 泰勒阵列方向图的主瓣宽度和不出现栅瓣的最大间距

2.1.5 泰勒阵列的主要参数

2.1.6 泰勒综合法的步骤

2.2 圆口径泰勒综合

2.2.1圆口径泰勒空间因子

2.2.2 圆口径泰勒分布

2.2.3 圆口径泰勒分布的口径效率v

2.2.4 圆口径泰勒平面阵

2.3 本章小结

第三章 同心圆环阵列天线方向图综合

3.1 任意拓扑荷的圆口径方向图函数

3.2 任意拓扑荷的圆口径泰勒方向图的基本函数

3.3 优化方向图函数的零点位置

3.4 圆口径的离散化

3.5 改善方向图退化

3.6 涡旋电磁波的任意辐射方向图

3.7 本章小结

第四章 涡旋电磁波成像推导

4.1 理想贝赛尔波束方位角一维成像

4.1.1 回波信号的点目标基本模型

4.1.2 单点成像原理

4.1.3 多点成像原理

4.2综合贝赛尔波束后的方位角一维成像

4.2.1圆口径天线产生的电场

4.2.2回波信号成像模型

4.3 理想贝塞尔波束二维联合成像

4.3.1 基本模型

4.3.2 模拟仿真

4.4 圆环阵列天线成像

4.4.1 圆环阵列天线产生的电场

4.4.2 成像模型

4.4.3 模拟仿真

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献