微波均匀场的时间反演综合方法与实现

论文摘要

电磁场的空间调控是指根据需求在指定空间区域内产生满足预期幅度、相位或幅相分布的电磁场,其在众多的工程应用领域中都有着巨大潜力。近年来微波医疗、微波加热、保密通信、装备测试等应用场景对电磁场的空间调控需求越来越强烈,催生了一系列的方法技术实现电磁场的空间调控。现有的几种电磁场场的空间调控技术都有着各自的局限性。基于线阵平面波场合成技术,主要依赖于优化算法,仅能实现简单的电磁波场分布,计算量巨大,无法对复杂空间场分布进行综合。基于超材料的空间场调控方法,由于设计过程繁琐,设计方案不具备普适性,使得其使用场景有限;基于时间反演(Time Reversal)点聚焦场的空间场赋形技术,可以实现不少经典的几何场分布赋形,其基本原理是点聚焦场的线性叠加,在对复杂电磁分布赋形时,由于探测天线之间存在衍射极限会限制空间场的赋形精度,同时由于点聚焦场间的不相关性也会引起不可控副瓣的产生,造成合成场质量下降。如何实现对电磁场的高效、经济的空间调控,是一个巨大的挑战。针对上述问题,本文将从波数域合成的角度出发研究电磁场的合成与调控,以到达场(arriving fields)作为空间场合成的基本场,结合时间反演技术的自适应定位与空时聚焦的优势,提出了一种基于时间反演的一维均匀场综合方法。最终采用简单阵列结构,在指定空间区域生成指定宽度的一维均匀场,研究内容包括:首先,简要介绍了基于TR点聚焦的赋形技术,并指出了其优势与缺点。阐述了波数谱投影理论以及空间场的波数域合成理论,研究了均匀平面波、理想点源、偶极子天线、任意线极化天线的到达场,并以基于均匀平面波场的一维均匀场合成为例,研究了合成一维均匀场的基本性质。其次,根据基于时间反演的波数域综合理论,提出了一维均匀场合成的方案。通过对不同阵列单元,不同阵列排布方式合成的一维均匀场进行对比,确定了基于偶极子天线半圆阵列的一维均匀场物理可实现合成方案。然后,研究了影响一维均匀场合成精度的关键因素。就天线阵列的布置方式、单元数目、目标合成场宽度等对合成场的影响进行了研究,并揭示了到达场的波数谱畸变是影响合成精度的主要因素。最后,以进一步提升合成一维均匀的质量为目标,通过遗传算法,优化设计阵列单元的馈入信号,最终得到了纹波系数<0.3dB、空间能量利用效率大于80%的高质量一维均匀场,并仿真验证了优化结果。通过分析优化前后的合成一维均匀场波数谱,证明了提升一维均匀场合成质量的关键是改善到达场波数谱交叠与偏移带来的合成误差。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及现状
•     1.1.1 研究意义
•     1.1.2 国内外空间电磁场研究现状及进展
•   1.2 研究创新及主要内容
• 第二章 微波均匀场时间反演综合基本原理
•   2.1 基于时间反演点聚焦场的赋形方法
•   2.2 波数域综合法
•     2.2.1 空间场波数域分解
•     2.2.2 均匀场的波数域综合原理
•     2.2.3 均匀场的性质
•   2.3 到达场综合法
•     2.3.1 理想点源的到达场
•     2.3.2 偶极子天线的到达场
•   2.4 其他类型辐射器的到达场
•   2.5 本章小结
• 第三章 一维均匀场的时间反演波数域综合法
•   3.1 一维均匀场的到达场综合法
•     3.1.1 波数域综合法的实现
•     3.1.2 基于时间反演技术的一维到达场综合原理
•   3.2 综合阵列的设计
•     3.2.1 阵列单元的选择
•     3.2.2 基于直线阵列的一维均匀场综合实现
•     3.2.3 基于半圆阵列的一维均匀场综合实现
•   3.3 基于VIVALDI天线阵列的一维均匀场综合实现
•   3.4 本章小结
• 第四章 一维均匀场综合的关键影响因素分析
•   4.1 影响一维均匀场合成质量的因素
•   4.2 阵元数目对均匀场合成的影响
•   4.3 均匀场宽度与半圆阵列半径的关系
•   4.4 本章小结
• 第五章 高精度一维均匀场的产生算法研究
•   5.1 一维均匀场综合方法的性能评估
•   5.2 基于遗传算法的一维均匀场优化方法
•     5.2.1 遗传算法
•     5.2.2 遗传算法优化流程
•   5.3 优化结果分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结
•   6.1 本文的工作总结
•   6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 兰立伟

导师: 赵德双

关键词: 微波均匀场,时间反演技术,到达场,波数域综合

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: O441.4

总页数: 67

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