基于电磁超表面的准无衍射波束产生技术及其应用研究

论文摘要

现有的电磁波在空间中传播都会有衍射现象发生,只是不同条件下电磁波的衍射程度不同,衍射会导致电磁波在传播的过程中能量更加分散,能量密度减小,但是在理论上存在空间中传播不发生衍射的电磁波存在,也称为无衍射波束。理论上无衍射波束的种类很多,包括贝塞尔波束(Bessel beam,BB)、X波束、马丢波束(Mathieu beam,MB)等。本文主要研究对象为贝塞尔波束,从波动方程求解出一类理论解由于包含有贝塞尔函数也因此被称为贝塞尔波束。自1987年Duinin提出并实验验证贝塞尔波束的存在后其成为光学及电磁学领域的一个研究热点。从贝塞尔波束电场表达式可以得到理想的贝塞尔波束携有无穷大的能量,因此要产生一个理想的贝塞尔波束亦需要有一个空间尺寸无穷大的源,这在实际中是无法满足的,因此实际上我们只能用有限尺寸的辐射源产生一个在一段距离范围内不发生衍射的贝塞尔波束,这种波束也称为准无衍射波束。根据贝塞尔波束解的形式,可以将其分为两类:第一类为零阶贝塞尔波束;第二类为高阶贝塞尔波束。这两类波束由于其空间场分布的不同导致其有不同的应用需求。根据其不同的应用需求我们进行了具体的研究,本文具体的研究内容包括以下几个方面:1.携带轨道角动量的无衍射涡旋波束高效产生技术研究。用电磁超表面产生高阶贝塞尔波束用以改善轨道角动量涡旋波束的扩散特性。携有轨道角动量的涡旋电磁波由于能提高频谱利用率,增大通信容量而成为以后通信可能使用的复用技术。但现有的涡旋电磁波由于在传播过程中衍射效果比较明显,会发生严重的扩散现象,因此本文利用高阶贝塞尔涡旋波无衍射的特点来克服一般涡旋波的扩散特性。结合电磁超表面能实现对电磁波精确调控的特点,本文提出了用反射型电磁超表面高效产生高阶贝塞尔波束的新方法。利用新设计的小型化超表面单元结构,仿真分析并加工测试了一个工作于10GHz的二阶贝塞尔波束,其工作效率高达57%,相比于以前的研究结果其效率有很大的提高。仿真及测试结果验证了该方法的正确性,能够实现产生在一段距离范围内不发生扩散的高阶贝塞尔涡旋波束。2.任意方向零阶无衍射波束的产生技术研究。零阶贝塞尔波束其电场强度在传输轴上保持最大且理论上在传输过程中保持不变。实际也只能用有限尺寸的源产生在有限距离范围内不发生衍射的贝塞尔波束。本文利用零阶贝塞尔波束其幅度在一段距离范围内保持不变的特性,结合电磁超表面能够实现对电磁波任意调控的特点,实现了高效率、传播方向精确可控的无衍射波束。用该方法产生的无衍射波束能够实现无线能量从源到任意方向上一段距离范围内的高效传输,可应用于无线能量传输领域,数值仿真验证了该方法的正确性。3.无衍射多波束产生技术研究。任意方向的无衍射波束只能实现源到负载的一对一无线能量传输,产生无衍射多波束可以实现源到多个负载的一对多无线能量传输。其原理是利用所产生的任意方向上无衍射波束,结合电磁波的叠加原理,我们可以设计出电磁超表面用于产生无衍射多波束。本文仿真并加工测试了一个工作于10GHz的反射型电磁超表面用于产生无衍射双波束,波束方向分别为(30,0)与(30,180),仿真和测试结果表明电磁波能量能够高效、精确地朝设定方向辐射。该方法为一对多的无线能量传输提供了一种新的解决方案。4.无衍射空心波束的产生及无衍射局域空心波束产生技术研究。高阶贝塞尔波束作为空心波束的一种,本文利用所设计的任意方向零阶无衍射波束为基础,结合坐标变换技术,可以产生出任意方向辐射的高阶贝塞尔波束,这也是第一次关于任意方向上高阶贝塞尔波束的产生方法介绍。针对于无衍射波束在一段距离范围内的能量稳定性,能够实现在无衍射距离范围内的能量稳定传输,但局域空心光束可以实现对无衍射距离范围内的波束能量分布的控制,可以在所设定的区域实现能量密度很小甚至为零。该特性对于无线能量传输的应用有很大的实际意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 无衍射波束产生方法介绍
•     1.2.2 轨道角动量涡旋波介绍
•     1.2.3 无线能量传输技术
•     1.2.4 电磁超表面
•   1.3 论文的主要研究工作及内容安排
•     1.3.1 论文的主要研究工作
•     1.3.2 论文的内容安排
• 第二章 无衍射贝塞尔波束基础及相关理论分析
•   2.1 引言
•   2.2 贝塞尔波束理论
•   2.3 无衍射波束传输距离分析
•   2.4 反射型电磁超表面理论及设计方法
•   2.5 本章小节
• 第三章 无衍射涡旋波产生技术
•   3.1 引言
•   3.2 电磁超表面单元设计
•   3.3 高阶无衍射波束电磁超表面设计过程
•   3.4 仿真及测试结果分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 无衍射多波束产生技术
•   4.1 引言
•   4.2 任意方向无衍射波束
•   4.3 无衍射多波束电磁超表面设计方法
•   4.4 电磁超表面产生无衍射多波束的特性分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 无衍射空心波束产生技术
•   5.1 引言
•   5.2 任意方向高阶贝塞尔波束
•   5.3 无衍射局部空心波束产生方法
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘永杰

导师: 李龙

关键词: 无衍射波束,轨道角动量,贝塞尔,无线能量传输,局域空心波束,电磁超表面

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: O441.4;TN011

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.002269

总页数: 98

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