【摘 要】
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随着近年来电信业务的快速发展,无线通信的信道频谱变得异常拥挤,而现有的信道复用方法难以扩展通信带宽,这使得有限的频谱资源与对通信速率日益增长的需求之间的矛盾愈来愈不可调和。同时,无线信号间的相互干扰越来越多,给无线电技术的广泛应用带来了极大的不便。如何利用现有的有限频谱来最大限度地提高通信速率和通信容量,是世界范围内无线通信技术研究人员共同关心的热点问题。2007年,Bo Thide等人首次将涡旋
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随着近年来电信业务的快速发展,无线通信的信道频谱变得异常拥挤,而现有的信道复用方法难以扩展通信带宽,这使得有限的频谱资源与对通信速率日益增长的需求之间的矛盾愈来愈不可调和。同时,无线信号间的相互干扰越来越多,给无线电技术的广泛应用带来了极大的不便。如何利用现有的有限频谱来最大限度地提高通信速率和通信容量,是世界范围内无线通信技术研究人员共同关心的热点问题。2007年,Bo Thide等人首次将涡旋电磁波引入微波频段,提出在不增加带宽的情况下利用涡旋电磁波来增加通信容量的想法,开创了轨道角动量在无线通信中的应用。在已经被物理学界广受认知近40年后,麦克斯韦方程组的不变性又在2006年被J.B.Pendry和U.Leonhardt等人赋予了新的活力,即“变换光学方法的设计和应用”。作为一种空间变换的强大设计工具,变换光学不仅拓展了控制空间电磁场的新思路,同时也提供了实现控制电磁场的多种设计方法。它允许我们通过改变传输介质的特征参数,改变空间中电磁场的分布。来自世界各地的科研团队都提出过或实用、或有趣的想法,并利用这些想法制造出具有特殊功能的光学或电磁装置。基于以上的研究背景,本文基于变换光学理论,在微波频段提出一种涡旋电磁波的生成方法,主要研究内容如下:首先,从涡旋电磁波及变换光学的基本理论出发,对涡旋电磁波的固有属性及特点进行研究,对现有的涡旋电磁波的生成方法进行探讨与比较,对使用变换光学设计微波器件的方法进行研究。通过对多方面知识的深入了解,为采用变换光学方法实现涡旋电磁波的生成提供理论基础。接着,结合变换光学与现有涡旋电磁波生成方法的异同,设计合理的坐标变换方法设计出一种反射型涡旋电磁波生成方案,根据设计的坐标变换,列出对应的纽曼-狄利克雷边界方程,通过PDE求解器求解方程组得出所需的参数分布,得到不同介电常数分布的8个模块,通过各模块不同的排布方式实现涡旋波的生成。其次,应用HFSS仿真软件完成单元结构的设计与仿真,观察其参数覆盖范围是否合适,保证结构可以实现所有参数且简单易实现。之后,结合MATLAB-HFSS-API脚本文件快速搭建全电介质涡旋电磁波生成透镜模型,并采用Polyjet 3D打印技术完成了其中一个反射型生成透镜的制备。最后,使用全波仿真软件ANSYS HFSS18.0对透镜在不同的工作频率下进行三维仿真,通过对全电介质生成透镜近场的相位分布,电场幅度分布、远场二维和三维增益分布及OAM模态的纯度进行分析验证了透镜优异的性能。此外,在微波暗室对该透镜的实际性能进行了测试,测试得到的反射相位分布、电场强度分布、远场的二维增益分布以及OAM波束的模态纯度均与仿真结果保持一致,进一步验证了所设计生成透镜的性能,进而完成了整个课题的工作。
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