基于场变换的涡旋电磁波生成方法的研究

摘要

携带轨道角动量(OAM)的涡旋电磁波生成方法的研究是近年来的研究热点。由于轨道角动量引入了新的自由度,并且理论上可以有无穷多个相互正交的模态,因此为进一步提高通信系统的容量和频谱利用率提供了可能性,具有很高的研究价值。针对紧凑结构天线产生涡旋电磁波,本文提出了三种新的方法:
　　1、基于复数坐标变换理论,改变传统圆形贴片下基底材料的参数,使贴片边缘原本驻波分布的电流转换为行波分布,从而产生涡旋电磁波。在不同的频率,传统圆形贴片天线可以分别激励TM11,TM21,TM31三种模式的电磁波,因此经过坐标变换后的天线可以相应地激励出一阶、二阶和三阶的涡旋电磁波。
　　2、设计了一种同心圆形三贴片天线,其可以在5GHz通过馈电方式的控制在三个贴片上分别激励TM11,TM21,TM31三种模式的电磁波。将三种不同的复数坐标变换应用到三个贴片中,从而实现了在同一天线同一频率产生一阶、二阶和三阶的涡旋电磁波。
　　3、根据圆形贴片天线的特征模式分析,圆形贴片上具有相互正交的表面电流分布,因此只要通过添加适当的馈电网络就可以实现在圆形贴片上产生涡旋电磁波。通过六个L型探针在圆形贴片下方的不同位置以不同相位进行馈电,可以分别在2.3GHz激励出一阶和二阶的涡旋电磁波,再通过加载短路针实现天线的优化。
　　通过将变换光学、特征模理论与天线设计相结合进行的交叉研究,将为天线设计提供新的思路,并催生更多的科研创新成果。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 研究历史与现状

1．3 本文主要内容及安排

2 基本原理及应用

2．1 轨道角动量理论及生成方法

2．1．1 轨道角动量

2．1．2 拉盖尔-高斯光束产生OAM

2．1．3 环形行波天线产生OAM

2．1．4 基于OAM的传输系统

2．2 变换光学理论及应用

2．2．1 变换光学理论

2．2．2 隐身衣的实现

2．3 本章小结

3 基于变换光学的涡旋电磁波生成方法的研究

3．1 圆形贴片天线空腔模型理论

3．2 基于变换光学产生涡旋电磁波的圆形贴片天线设计

3．2．1 基于复数变换设计天线产生涡旋电磁波

3．2．2 仿真与结果分析

3．3 基于变换光学产生涡旋电磁波的同心圆形贴片天线设计

3．3．1 同心圆形贴片天线工作原理

3．3．2 基于复数变换的同心圆形贴片天线设计

3．3．3 仿真结果与分析

3．4 本章小结

4 基于特征模式的涡旋电磁波生成方法的研究

4．1 特征模理论

4．2 特征模理论分析圆形贴片天线

4．3 产生涡旋电磁波的L型探针天线设计

4．3．1 基于特征模理论的L型探针天线设计与仿真

4．3．2 加载短路针的L型探针天线设计与仿真

4．3．3 馈电网络的设计

4．4 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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