電磁渦旋波束天線技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，無線通信不斷向著大帶寬、高速率的方向前進(jìn)，然而，空間中的頻譜資源是有限的，如何更合理的利用頻譜資源，提高頻譜利用率和通信速率，成為當(dāng)今無線通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。含有軌道角動(dòng)量的渦旋電磁波因具有多拓?fù)浜商匦?，且各拓?fù)浜傻牟ㄊ舜霜?dú)立，在提高通信容量和雷達(dá)探測(cè)性能等方面有望實(shí)現(xiàn)全新的突破?，F(xiàn)有生成渦旋電磁波的天線實(shí)物只能生成一種或最多兩種模式的渦旋波束，且生成兩種模式渦旋波束的天線結(jié)構(gòu)也都比較復(fù)雜，生成更多階模

2、式渦旋波束的天線系統(tǒng)還只停留在仿真驗(yàn)證階段。針對(duì)這些問題，本文研究設(shè)計(jì)了一系列可生成渦旋電磁波的天線，天線都有著非常簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)形式，并保持了較高的渦旋模式純度。實(shí)際的研究設(shè)計(jì)遵循了從單模態(tài)到多模態(tài)、從單極化到多極化的思路，包括了單模渦旋波束喇叭透鏡天線，單模和混模渦旋波束平板反射陣列天線，雙模渦旋波束雙圓極化高次模貼片單元，雙模渦旋波束雙圓極化四元陣列天線，五模渦旋波束線極化環(huán)形陣列天線和多模渦旋波束多極化環(huán)形陣列天線。本文的研究?jī)?nèi)容主

3、要包含以下四個(gè)方面：
　　1.采用介質(zhì)占空比法對(duì)平板穿孔介質(zhì)材料的特性進(jìn)行了研究，通過在喇叭天線口徑面上覆蓋具有相位校正功能的平板穿孔介質(zhì)透鏡，有效縮減了天線的整體尺寸，激勵(lì)出了?=+1和?=?1兩種模式的渦旋波束，在此基礎(chǔ)上研究分析了渦旋波束的空間幅度分布和相位分布等特征。采用Floquet端口法對(duì)電磁波以某種極化方式斜入射到二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，平板穿孔介質(zhì)材料的反射特性進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成了可生成單模?=?1、混模?=

4、?1&?2渦旋波束的兩種平板反射陣列天線。
　　2.針對(duì)生成多模渦旋波束天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，給出了一種雙模渦旋波束雙圓極化貼片單元和一個(gè)雙模渦旋波束雙圓極化四元陣的設(shè)計(jì)方法。在雙模渦旋波束貼片單元的設(shè)計(jì)中，通過在圓形貼片中激勵(lì)出雙圓極化21TM模來生成?=±1兩種模式的渦旋波束；與現(xiàn)有的雙模渦旋波束天線相比，該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，并能在較廣的傾角范圍內(nèi)保持較高的渦旋模式純度。在雙模渦旋波束的四元陣之設(shè)計(jì)中，利用旋轉(zhuǎn)圓極化單元產(chǎn)生相位差的

5、原理來生成渦旋電磁波，四個(gè)單元等幅同相饋電，簡(jiǎn)化了饋電網(wǎng)絡(luò)；測(cè)試結(jié)果與仿真吻合良好，天線可生成渦旋模式?=+1的左旋圓極化波和渦旋模式為?=?1的右旋圓極化波。
　　3.為了實(shí)現(xiàn)更多階渦旋模式的復(fù)用，給出了一種基于Rotman透鏡饋電的五模渦旋波束線極化環(huán)形陣列的設(shè)計(jì)方法。陣列采用Rotman透鏡饋電，極大地簡(jiǎn)化了饋電網(wǎng)絡(luò)；并通過采用雙層結(jié)構(gòu)，有效減少了Rotman透鏡對(duì)天線陣輻射的影響，縮短了天線的整體尺寸；通過優(yōu)化和改進(jìn)陣列布

6、局，改善了單元間的耦合，降低了饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，提高了天線的整體性能。測(cè)試結(jié)果與仿真吻合良好，陣列天線可以生成渦旋模式?=?2,?1,0,+1,+2的電磁波。與現(xiàn)有生成多模渦旋波束的環(huán)形相控陣列相比，該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)方便，是軌道角動(dòng)量多模復(fù)用和雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)絕佳選擇。
　　4.針對(duì)通信系統(tǒng)對(duì)更大信道容量的需求，給出了一個(gè)多模渦旋波束多極化環(huán)形陣列天線的設(shè)計(jì)。通過將三極化單元合理組陣，生成了三種極化的多模渦旋電磁波；將左旋圓極