基于微带阵列的PSOAM的产生及应用研究

论文摘要

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)因其特有的正交性和涡旋性被广泛地应用于无线通信、雷达成像以及电磁感知等领域。但是,轨道角动量波束的中心空洞、波束扩散以及不同模态的发散角不一致等问题使得其在模态复用和远距离通信等方面遇到困难。为此,我们课题组提出了一种平面螺旋轨道角动量(Plane Spiral Orbital Angular Momentum,PSOAM)波束。这种波束是轨道角动量波束的一种特殊形态,通过将波束的发散角调整到90°方向上,所有模态的发散角能够保持一致,一定程度上解决了轨道角动量应用中的难题。而且,利用不同平面螺旋轨道角动量波束的叠加可以构建幅度相位可控的结构电磁波束,为轨道角动量的应用提供了一种新的思路。本文主要研究多模态平面螺旋轨道角动量波束的产生及其在构建结构电磁波中的应用。论文设计了一个能够产生多个平面螺旋轨道角动量模态的环形微带阵列天线。微带阵元为8个,可产生的模态为0,±1,±2和±3,中心频率设计在X波段。论文运用理论计算和模拟仿真,实现了微带天线单元设计和整体结构设计。为了能够同时产生多个模态的平面螺旋轨道角动量波束,论文选用8×8的Butler网络作为微带阵列天线的馈电结构。根据多模态平面螺旋轨道角动量波束产生的幅相特性,论文分别设计组成Butler馈电网络的三个单元部件:3dB定向耦合器,OdB交叉耦合器和移相器;继而对整个馈电网络进行综合设计,并对馈电性能进行了仿真分析。结果表明,设计的8×8的Butler馈电网络可以满足同时多模态平面螺旋轨道角动量波束的产生,验证了设计的8 × 8的Butler馈电网络的有效性。基于产生的多模态平面螺旋轨道角动量波束,论文开展了平面螺旋轨道角动量在构建结构电磁波方面的初步研究。不同模态平面螺旋轨道角动量波方位角的场分布可以看成是电磁波方位角域的一类正交基,因此理论上任何方位角分布的电磁波束都可以用平面螺旋轨道角动量波的叠加来实现。利用微带阵列天线产生的不同模态组合的平面螺旋轨道角动量波的叠加,论文实现了各种形状的波束赋形。另外,通过合理调整平面螺旋轨道角动量波的初相,合成波束可以实现二维平面内无畸变的扫描。理论分析和仿真模拟结果一致,验证了由平面螺旋轨道角动量构建的结构电磁波的优势。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题背景与研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 射频OAM波束研究现状
•     1.2.2 PSOAM波束研究现状
•   1.3 研究内容与创新点
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 主要创新点
•     1.3.3 全文安排
• 2 微带阵列天线
•   2.1 阵列产生PSOAM波束原理
•   2.2 天线模型
•   2.3 仿真结果分析
•     2.3.1 天线反射系数
•     2.3.2 近场辐射特性
•     2.3.3 远场辐射特性
•   2.4 本章小结
• 3 Butler馈电网络
•   3.1 Butler基本原理
•   3.2 Butler单元部件设计及仿真分析
•     3.2.1 3dB定向耦合器
•     3.2.2 0dB交叉耦合器
•     3.2.3 移相器
•   3.3 Butler整体结构设计及仿真分析
•   3.4 本章小结
• 4 基于PSOAM波束的应用
•   4.1 结构电磁波简介
•   4.2 基于PSOAM波束的波束赋形和波束扫描的原理
•     4.2.1 波束赋形原理
•     4.2.2 波束扫描原理
•   4.3 仿真结果分析
•     4.3.1 基于Butler馈电的微带阵列产生PSOAM波束
•     4.3.2 波束赋形仿真分析
•     4.3.3 波束扫描仿真分析
•   4.4 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 马青

导师: 郑史烈

关键词: 轨道角动量,平面螺旋轨道角动量波束,微带阵列天线,馈电网络,结构电磁波,波束赋形和波束扫描

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,电力工业,无线电电子学,电信技术

单位: 浙江大学

分类号: O441.4;TN929.5

总页数: 84

文件大小: 7410K

下载量: 84