涡旋电磁波轨道角动量传输的量子电动力学分析

随着可用频率等无线传输资源逐渐消耗殆尽,基于电磁波轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)新维度的数据传输成为未来无线通信系统潜在核心关键技术.具有OAM的电磁波被称为涡旋电磁波,具体可分为通过回旋电子辐射生成的涡旋电磁波量子,以及由不同相位的电磁波量子叠加生成的统计态涡旋波束.然而,由于统计态涡旋波束被认为是基于多天线的多输入多输出(multipleinput multiple-output, MIMO)系统的一种在直射信道环境下波束成形的特例,从而对电磁波OAM传输是否具有新维度产生争论.特别是从微观层面到宏观层面,目前缺少相应理论文献和分析方法予以澄清.为解决这个问题,本文提出了一种基于量子电动力学(quantum electro-dynamics, QED)的轨道角动量分析方法,结合统计物理学概念,对涡旋电磁波轨道角动量传输过程进行分析,明确了量子态和统计态的区别.本文的主要创新点包括:(1)提出了一种结合统计物理学的量子电动力学分析方法,建立了电磁波微观状态与宏观状态的桥梁;(2)采用所提方法,对统计态OAM涡旋波束进行了全面分析,并与量子态O...     

生成轨道角动量的圆极化螺母型贴片天线

轨道角动量(OAM)涡旋电磁波大多通过复杂的系统生成,为简易地获取OAM电磁波,设计一种圆极化螺母型贴片天线。通过控制2个馈电点的相对位置,生成特定模式的OAM圆极化涡旋电磁波。理论推导和模拟仿真结果证明了该螺母型贴片天线的有效性。与传统形状的贴片天线相比,该天线结构小巧紧凑,改善了空间辐射相位分布与谐振特性。     

一种多轨道角动量模式双环形微带阵列天线

针对圆环形阵列天线产生轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)涡旋电磁波的技术,提出了一种基于多层板设计的双环形径向均匀圆阵列天线,用于产生多种OAM模式。以L型探针馈电的圆微带天线为单元,将多个相同的单元天线等间隔的分布在一个同心圆上组成双环形阵列天线,并采用等幅且同一圆环的相邻阵元间以连续相位差的方式馈电。HFSS仿真表明,上述天线阵可以产生具有多模式轨道角动量的涡旋电磁波束。所提出的天线可作为利用OAM进行相位分集的候选天线以增加无线通信的信道容量。     

基于轨道角动量的双频阵列天线的设计与分析

随着通信技术的蓬勃发展,通信频带变得越来越拥挤。为了提升频谱效率和信道容量,基于轨道角动量的思想,以同轴馈电的贴片微带天线为阵元,设计了一种可以携带轨道角动量涡旋电磁波的双频微带阵列天线。HFSS的仿真结果表明,该天线的-10 dB带宽为11.37～22.77 GHz和25.06～31.71 GHz,可以产生多种模态值的OAM波束,而且各个模态的OAM波束具有良好的对称性和旋转性,并且在中心频率21 GHz和27 GHz能同时产生OAM涡旋电磁波。该系统在未来的移动通信(6G)具有广阔的应用前景。     

涡旋电磁波产生原理与仿真实现

涡旋电磁波又称为具有轨道角动量的电磁波。常规球面电磁波,其能量由中心向外呈现辐射状,在以能量中心为原点的环形波束上,其相位是一个固定值;而涡旋电磁波,其能量呈现环状,类似于面包圈形状,在以能量中心为原点的环形波束上,其相位呈现均匀分布,环上任意两点之间存在相位梯度。目前产生涡旋电磁波的方式主要有两种:螺旋相位板和天线阵列。本文将分别从数学建模、理论推导、仿真计算三个方面分别介绍两种产生方式,从而加深对两种产生方式的理解和运用。     

基于涡旋电磁波的大容量通信系统设计

鉴于涡旋电磁波所体现出的独特空间电磁场分布特征,以及其携带的轨道角动量在理论上所具有的无穷维度模态正交特性,涡旋电磁波在无线通信领域和雷达探测与成像领域均表现出重要的研究价值和应用潜力;通过涡旋电磁波空间电磁场的分布和原理入手,采用在C波段设计阵元交替排布的双圆环均分天线阵列,并基于带状线屏蔽性能强的优势设计4路1分8的叠层馈电网络,从而产生4种混合模态(+1,-1,+2,-2)的涡旋天馈系统;通过搭建混合模态涡旋电磁波大容量通信系统测试收发天馈之间模态隔离度大于15dB,在此基础上加入软件无线电平台验证通信系统多路涡旋波信号传输特性,测试验证4个端口均可正确接收、解调电磁信号,实现频谱效率4倍的提升。     

基于涡旋电磁波的大容量传输天馈设计

涡旋电磁波不同轨道角动量（OAM）模态的正交性可以作为新的信息复用维度进一步提升系统通信容量。设计了一种基于双环圆形阵列的涡旋电磁天馈系统，可同时产生±1、±2四模态涡旋电磁信号。暗室测试及系统联试结果表明，设计的天馈系统模态间隔离度好，可完成4路同频BPSK数传信号的同时传输且无误码，实现了系统通信容量的提升。     

循环平稳特性在UCA超分辨率测向中的应用

阵列天线在军用及民用方面具有广泛的应用前景,从超分辨率测向算法方面对均匀圆阵列天线(UCA)的测向技术进行了研究,介绍了UCA输出数据模型及其波束域处理的基本问题,将循环平稳特性与UCA相结合,提出了两种有效的UCA测向算法———波束域Cyclic MUSIC和Cyclic-Root-MUSIC算法;仿真分析表明,它们具有较好的抑制噪声和抗干扰性能,且具有较低的计算量,由于UCA在360°方位角内具有等性能波束形状、天线增益和互耦平衡,其结构具有圆对称性,因此适于车载或机载系统应用。     

基于石墨烯超表面天线的太赫兹动态相位调控及波束扫描

太赫兹波频段介于毫米波和红外光之间,具有诸多优异特性,太赫兹天线更是太赫兹通信、雷达和成像等应用系统中的核心元器件。然而,目前报道的太赫兹天线均无法满足较大动态范围的相位扫描、高效率辐射和大偏转角度的需求。该文设计了 3 种石墨烯太赫兹天线,最小尺寸为 5 μm,并对其辐射效率和相位调控特性进行研究,进而提出具有双共振模式的石墨烯-金属太赫兹超表面天线,缓解了传统的基于单共振模式的相位动态调控范围和辐射效率之间的矛盾,实现了 0～360°的动态相位调控,且辐射效率高于 20%。该研究采用微加工工艺进行样品加工,通过改变栅极电压,在实验上获得了 1.03 THz 的太赫兹动态相位调控,反射率高于 23%,与仿真结果基本吻合。在此基础上,该文基于连续相位编码设计了石墨烯超表面相控阵天线,理论上实现了太赫兹波束在－25°～25°范围内的实时波束偏转。该文为解决超表面相控阵天线的相位动态调控范围小、辐射效率低等难题提供了新的研究思路。     

闭环多用户多天线Beamforming系统的性能分析

0 引言 无线通信系统需要能提高频谱效率的更加智能的技术,以满足无线频谱资源的日益匮乏.波束成型Beamforming和多输入多输出技术(MIMO,Multi Input Multi Output)都可以在基站使用多根天线,利用多天线阵列提供波束增益和发射分集,从而提高系统的性能 [1,2].     

使用具有重叠方向图的天线估计来波角度

基于接收信号强度(Rss)的室内定位设计容易受到多径干扰的影响。为了解决这个问题,将具有重叠方向图效果的波束切换天线和Rss相结合,提出一种来波角度(AoA)估计方法。AoA是通过不同波束Rss的差分运算进行估计。因为多径信号的AoA呈现一种对称分布的特性,从AoA估计误差的均值角度,证明Rss差分运算具有抑制多径干扰的能力。同时对于波束切换天线的结构参数与整体AoA估计精度和稳定性之间的关系开展研究。最后通过实验和仿真验证理论分析的结果,可以在多径丰富环境中获得较高的AoA估计精度和稳定性。     

相位激励赋形多波束形成算法分析及仿真实现

数字波束形成是天线技术与数字信号处理技术结合的产物,是智能天线实现空分多址的关键技术.采用相位激励赋形多波束形成技术,给出了智能天线数字多波束形成的优化算法,利用该算法对均匀圆环阵天线各单元权值进行计算,仿真实现了均匀圆环阵天线多波束方向图,在不同方向上同时得到了多个波束.该算法计算复杂度低,空间隔离度好.阵元呈圆环状分布,具有全向搜索特性,克服了直线阵搜索的缺点.该方法还可用于任意单元构成的不均匀阵列天线,以及波束展宽和扇形波束的形成.     

超高频短路环偶极子抗金属标签的设计与分析

针对射频识别(RFID)标签抗金属性的实际需求,结合短路环偶极子天线辐射能力较强、制造简单、成本低、防静电且适宜阻抗匹配等优点,设计了一类短路环偶极子抗金属标签。设计中将标签天线制作在具有良好辐射特性、成本低廉、材质为FR-4的基板上,减小金属环境吸收电磁波对天线辐射的干扰,使短路环偶极子标签具有抗金属性;同时在短路环偶极子天线中引入阻抗臂,通过阻抗臂对短路环偶极子天线进行阻抗匹配及优化。经过仿真实验及测试其结果表明,所设计标签具有良好的抗金属性和阻抗匹配特性。     

基于PSO的E型双频天线自适应优化设计

研究天线性能优化问题,为了满足多个无线通信系统实现多系统收发共用,天线需在宽频带及不同频段下工作.为了得到优化的谐振频率和宽带,通过在矩形微带线上开两条对称的槽得到E型贴片天线,实现天线的双频功能,利用电磁仿真软件IE3D建立天线模型,通过IE3D对天线的性能进行仿真和分析,同时使用粒子群优化算法对其关键性参数进行了自适应优化,得出天线的具体尺寸.仿真结果表明,天线-10dB阻抗带宽分别为125 MHz(2400-2525MHz)和275MHz(5575-5850MHz),能够满足WLAN(2400-2484 MHz/5725-5825 MHz)的通信需求.优化的天线结构简单,具有很好的双频特性,在工作带宽内有很好的全向辐射特性.     

一种新型弹载干扰天线的仿真与应用

设计高性能弹载干扰天线,军事领域对电子干扰设备提出了更高的要求。尤其对于弹载干扰设备而言,天线性能的优劣成为影响设备效能的关键问题。以传统的全向双锥天线理论为研究基础,结合工程实际需要,提出了一种新型宽频带宽波束定向天线的方案。通过Ansoft HFSS软件的建模仿真和分析,采用一种新型的背腔反射结构形式,极大的改善了天线的电性能和辐射特性。测试结果和仿真结果一致性较好,表明天线具有宽频带、宽波束的定向辐射特性,很好地解决了电子对抗领域干扰天线的工程需求。     

有源相控阵天线远场测试系统设计

为解决某型有源相控阵天线辐射特性测试占机时间长、系统不稳定、交付能力不满足生产需求等问题,开展了有源相控阵天线辐射特性校准与测试技术研究。针对被测产品体积小、频段高、天线单元多以及交付数量大的特点,选择了较为合适的远场测试系统的设计方案。测试系统硬件构成复杂,包含微波暗室、接收转台、发射扫描架、测控单元、水冷系统等;测试软件涉及项目多,包含幅度相位校准、方向图测试、指向精度补偿测试、等效全向辐射功率（EIRP）测试、有源增益测试等。重点对微波暗室尺寸设计、高精密转台精度分析、幅度相位校准算法和波束指向误差补偿技术进行了详细论述,完成了该型有源相控阵天线远场测试系统的软、硬件设计。测试系统精度高、动态范围大、运行稳定。该设计方案具有较好的推广价值。     

高阻抗表面的反射特性研究

利用高阻抗表面作偶极子天线反射基板,分析高阻抗表面的反射特性。与普通金属板使反射波与入射波相位相差180o比较,高阻抗表面能实现一定频带内的同相位反射。根据这一原理,设计低剖面偶极子天线,使天线的工作频率处于电磁带隙的谐振频率上,从而使高阻抗表面反射后的电磁波与天线的辐射波同相叠加,提高天线的辐射效率。利用HFSS仿真TE极化和TM极化下高阻抗表面反射相位随入射角的变化,结果表明：高阻抗表面在两种极化方式下呈现的相位反射不同。     

一种地铁5G场景下的宽频天线研究

随着5G技术的大规模投用,轨道交通行业与运营商合用5G网络,划分独立虚拟专网的技术日趋成熟,专用、公用多通信网融合成为了地铁5G无线网络的发展方向,为了解决工程空间紧张、降低系统间电磁互扰、提高无线通信系统安全稳定性,本论文设计了一种适合于地铁应用场景,可覆盖所有轨道通信频段的宽频天线,并基于电磁波的传播理论及圆极化天线原理,实现了该宽频天线在重要频段下能够收发圆极化波。通过运用3维电磁仿真软件HFSS模拟了该宽频天线各项性能指标,仿真结果表明该天线在所有5G频段及2.4 GHz WLAN频段下的辐射性能良好,及其在移动n41频段、2.4 GHz WLAN频段下的圆极化特性,验证了本论文所设计的宽频天线,具有良好的抗干扰能力,并探讨了该天线在隧道内的具体实施方案,可进一步优化隧道内的通信设备布局,以满足5G公网在地铁内实现多通信网融合的使用需求,该工作在建设智慧地铁方面具有重要的价值。     

煤矿井巷自适应多天线理论与关键技术研究

在分析煤矿井巷无线信号传播环境特点及多天线辐射特性的基础上,提出了融合巷道波导理论和自适应阵列天线相关技术的自适应多天线技术,介绍了煤矿井巷自适应多天线的基本组成和原理,并探讨了其需进一步研究的关键技术。煤矿井巷自适应多天线可根据信道传输特征有选择地控制导引波模的数量、类型和强度,从源头上改善井下无线通信覆盖状况,提高煤矿无线通信系统性能。     

基于高速铁路通信的多波束机会波束赋形技术

鉴于高速铁路通信中,列车位置信息可预测、列车车顶中继转发天线数有限,以及反馈信息时延大、多普勒衰落较大、频繁切换等特性,传统的波束赋形并不适用于高速铁路场景。位置信息辅助的多波束机会波束赋形能够利用列车位置信息可预测的优势,在机会波束赋形算法中有效地提高发送波束随机相位与来波相位匹配的概率,同时支持多个波束并行传输,以多波束选择实现更好的多用户分集增益,且机会波束赋形无需反馈完全信道状态信息。因此位置信息辅助的多波束机会波束赋形技术适用于高速铁路通信。