【摘 要】
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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
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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。
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