论回旋电子与涡旋电磁波量子:涡旋电子波包

回旋电子辐射涡旋电磁波量子的理论模型是量子态涡旋电磁波技术的关键.本文是“论回旋电子与涡旋电磁波量子”系列论文的第一部分,建立了“涡旋电子波包”相关理论模型.能级跃迁辐射是涡旋电子最自然的辐射之一.为了给出单个涡旋电子回旋辐射产生涡旋电磁波量子机理,本文根据磁场中电子的守恒量推导了恒定磁场中涡旋电子波函数,对相对论电子波包的运动情况做出分析,并通过求解狄拉克方程解释了自旋角动量和轨道角动量在本质上不可分割的情况.另外,在求解过程中根据相对论能量本征方程得到回旋电子在磁场中的横向能级分布,即朗道能级,并仿真得到电子具有确切轨道角动量数时的朗道能级形状.

基于涡旋电磁波新体制的雷达前视三维成像

涡旋电磁波具有独特的波前相位调制特性,其作为一种新的雷达发射端分集模式,可实现目标雷达截面积(RCS)分集、提升信号与信息处理维度和性能,其探测与成像性能在多种雷达体制中得到了验证。该文针对前视雷达成像的应用背景,基于均匀圆阵发射与圆阵中心单天线接收的收发体制,在建立了电磁涡旋前视雷达信号模型与成像模型的基础上,提出了一种分时多模态扫描的成像方法,利用多模态涡旋电磁波在不同俯仰角的幅度差异性和在不同方位角的相位差异性,以及雷达与目标相对运动产生的多普勒效应,提出了改进的后向投影-距离多普勒算法,实现了目标三维成像。由于涡旋电磁波的能量发散特点,随着俯仰角增大,高模态方向图增益急剧下降,该文所提方法通过对多个模态在空域能量分布的有效利用,在较大视场角下具有较高的稳定性。基于点目标成像结果,验证了在多模态涡旋波覆盖的较大视场范围内,目标成像结果的归一化等效增益在低俯仰角与高俯仰角处基本相当。所提方法通过对飞机目标的实验验证,根据成像结果可较为准确地重构目标的三维结构。

论回旋电子与涡旋电磁波量子:涡旋电磁波量子辐射

回旋电子辐射涡旋电磁波量子的理论模型是量子态涡旋电磁波技术的关键.本文为“论回旋电子与涡旋电磁波量子”的第二部分,建立“涡旋电磁波量子辐射”相关理论模型.电子通过能级跃迁能够辐射单个携带内禀OAM(Orbital Angular Momentum)的电磁波量子.为了给出这一辐射机理,推导了非相对论和相对论效应中电子在朗道能级的跃迁概率.由于非相对论效应中朗道能级与内禀OAM模态值的线性关系,电子无论以何种初始状态跃迁都只能辐射平面波量子.相对论效应情况正好相反,可以得到丰富内禀OAM模态值的电磁波量子.在实际工程上,可用特定回旋装置作为产生单个涡旋电磁波量子的辐射源;模态选择上,根据不同内禀OAM模态间具有频率差的特性,利用虹膜嵌入式波导滤波器进行频率筛选,同时选择出特定内禀OAM模态的电磁波量子.最后分析强调了量子态和统计态涡旋电磁波的差异,以及二者在无线传输应用时的优缺点.

基于U-Net的涡旋电磁波雷达成像方法

基于轨道角动量模态变量与目标方位角变量的近似对偶关系,涡旋电磁波雷达可以实现对静止目标的二维高分辨成像,然而目标回波中的贝塞尔函数项会严重影响方位角向聚焦性能。现有基于逆投影算法的贝塞尔函数补偿方法计算量很大,难以实际应用。针对上述问题,提出一种利用U-Net卷积神经网络抑制贝塞尔函数影响、实现涡旋电磁波雷达高分辨成像的方法。首先,根据雷达目标散射分布的稀疏特性对U-Net网络进行改进,然后对目标回波信号进行二维快速傅里叶变换预处理得到目标散焦图像,将其作为改进U-Net网络的输入,并将目标理想电磁散射模型作为网络输出对网络进行监督训练。最后,基于未知目标回波信号,将预处理后的目标散焦图像输入到训练完备的网络模型中,即可得到聚焦良好的高分辨成像结果。仿真实验证明,该成像方法能够有效提高目标成像聚焦性能,且该网络模型在噪声存在的情况下仍具有较好的泛化能力。

基于粒子网格模拟的涡旋电磁波与等离子体的联合建模方法

针对高超声速目标的涡旋电磁波探测需求,提出了一种基于粒子网格模拟方法的涡旋电磁波与等离子体的联合建模方法。利用总场/散射场技术实现任意模态涡旋电磁波的激励,采用粒子网格模拟方法进行等离子体的物理特性建模,结合时域间断伽辽金方法建立高效电磁求解器,完成了涡旋电磁波与等离子体的联合动态建模。三维等离子体与涡旋电磁波相互作用仿真实例验证了所提建模方法的高计算精度和强稳定性。该方法为揭示等离子体对涡旋电磁波目标探测的影响规律提了供技术支撑。

一种V波段涡旋电磁波反射阵天线

为了满足无线电近感探测需求,提出一种基于反射型超表面的V波段涡旋电磁波产生方法,设计了一款具有正馈结构的涡旋电磁波反射阵天线,馈源采用标准增益喇叭天线。提出的新型线极化超表面单元为双层结构,两层方形贴片分别印刷在两个介质板的上层,金属地板印刷在下层介质板的底层。仿真结果表明,在60 GHz频点得到的电场相位在正方形相位参考面上具有清晰的+1模态涡旋相位分布特征,且中心存在相位奇点。对实物样机的实验室测试结果表明,天线近场辐射波以及天线照射钢板后反射波的电场相位同样具有涡旋相位分布特征。

涡旋电磁波无线通信技术的研究进展

由电磁动力学可知,电磁波可携带与极化方式相关的自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)和与坡印廷矢量运动方式相关的轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)。当OAM不为零时,电磁波的波前电场分布呈漩涡状且具有沿轴向传播的特性,人们形象地将这类电磁波称为涡旋电磁波。学界在平面电磁波场强数学模型的基础上引入了一个以OAM的拓扑荷(又称模态)为参数的傅里叶旋转因子描述涡旋电磁波的波前场,因此,涡旋电磁波波前具有与拓扑荷相关联的“极化”图案,利用不同模态的涡旋电磁波的极化图案可进一步提升无线通信系统信道容量。研究表明,在开放环境下由均匀圆阵列(Uniform Circular Array,UCA)阵列产生“平面”涡旋电磁波波束尽管可行,但要获得模态复用增益,需要探索基于复平面内单位圆周上分布的正交相位序列的涡旋电磁波波束产生与信息传输方法。文中也调研了无线射频领域OAM与MIMO体制相兼容的研究现状。

涡旋电磁波在非相干散射雷达上的应用前景

电离层是地球大气层的一个重要组成部分,由电离而成的等离子体组成,对超视距通信、卫星通信、航天器有着重要的影响。非相干散射雷达是获取电离层等离子体参数的最先进设备。目前,非相干散射雷达使用传统平面波进行探测,而涡旋电磁波作为新型的电磁波束,其在非相干散射上的应用价值有待发掘。选取典型的矢量贝塞尔涡旋波束,以相关理论为依据,探索了其在电离层非相干探测上的前景,指出用其探测等离子体运动以及电离层不规则体的可能性。

基于圆微带天线阵的射频涡旋电磁波的产生

射频涡旋电磁波等相位面呈涡旋状,是一种携有新自由度-轨道角动量的电磁波。在轨道角动量模式理论分析的基础上,提出了在中心频率6GHz处产生携有轨道角动量的涡旋电磁波的一种圆微带天线阵新结构,设计了以双层圆形微带天线为阵元组成的圆形阵列天线,通过控制馈源的相位差,得到模式量子数为0,1,2,3,4的轨道角动量。仿真结果表明:携轨道角动量的电磁波矢量电场图具有涡旋波阵面的特性,合适的阵列半径和馈线排列分布将产生携有良好轨道角动量特性的涡旋电磁波,而不当的阵列半径或馈线排列分布将出现能量的分散或者相互耦合的问题。

基于多模态OAM涡旋电磁波的L波段宽频阵列天线设计

频谱资源紧缺已成为无线通信技术发展的瓶颈.本文通过控制阵元间馈电相位差将轨道角动量(orbital angular momentum)技术应用于阵列天线中,利用L型探针馈电微带贴片天线沿圆周等距排列设计出一种工作频段在1.35GHz^1.86GHz,相对带宽达到31.8%的8阵元涡旋电磁波宽频微带天线.仿真实验表明,该天线可以产生具有多模态轨道角动量的涡旋电磁波,当用于移动通信系统的发射端,它能够实现在同一时间、同一频率下的多路信号传输,提高了系统的容量和传输速率.

涡旋电磁波天线技术研究进展

涡旋电磁波,因携带有轨道角动量(OAM),从而体现出除了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外的一种新型自由度,理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态,并且近年来其在雷达成像、无线通信等研究领域展现出重要的应用潜力,所以引起国内外学者的广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。在这里,该文主要介绍近年来涡旋电磁波天线技术的研究进展,包括单一微带贴片天线、阵列天线、行波天线、以及超表面天线结构等。单一微带贴片天线由于其结构简单、制作成本低而被广泛运用;行波天线可以在宽带范围内产生多OAM模式的涡旋电磁波;阵列天线的设计原理简单,可以灵活地控制产生不同模态的高增益OAM电磁波;而超表面天线不需要复杂的馈电网络,从而具有天线整体剖面较低的优势。该文对这4种常见的涡旋电磁波天线进行了总结,并展望了未来的发展趋势。

激发涡旋电磁波的同相位馈电圆形天线阵设计

现有的线极化天线单元组成的圆形天线阵要激发涡旋电磁波,需对天线阵进行等相位差馈电,馈电网络结构较复杂。文中首先从理论上探讨利用圆极化天线单元组成的圆形天线阵产生涡旋电磁波的可能性,基于圆极化波传播特性,通过旋转圆极化天线单元而使相邻天线单元的远区辐射场产生相位差,导出圆形天线阵远场区的电磁辐射公式,论证圆极化的圆形天线阵在同相位馈电时能产生涡旋电磁波束。进而,以8个天线单元构成的圆形天线阵为例进行仿真验证。结果表明,通过合理的天线单元角度分布替代移相器模块功能,只需使用相同相位的馈电端口就能产生l=0,±1,±2,±3七种模式的轨道角动量,这种新型轨道角动量激发技术有效提升了馈电网络设计的灵活性。

Ku/K波段双频涡旋电磁阵列天线设计

涡旋电磁波具有携带轨道角动量的特性,利用这一特性,采用涡旋电磁波作为信号的载体,可以实现同一时间、同一频段的多路信号传输,极大地提高系统容量和频带利用率。以同轴馈电的半圆型开槽微带天线为单元,设计出了一种能工作在Ku波段和K波段的涡旋电磁阵列天线。使用三维电磁场仿真软件建模并且优化参数,最终得到在中心频率分别为17.1GHz和19.7GHz时,阵列天线产生的电磁波携带有轨道角动量。结论表明:该阵列天线能够产生双频涡旋电磁波。

涡旋电磁波旋转多普勒效应研究进展

依据多普勒效应,传统雷达可以实现对运动目标探测,但是在对旋转目标的角向运动趋势感知存在检测盲区。涡旋电磁波的旋转多普勒效应的发现,因有助于解决直视下的旋转目标的角向运动趋势感知问题,引起了国内外研究人员的广泛关注。该文主要介绍了近年来涡旋电磁波旋转多普勒效应的研究进展,特别是微波波段的相关研究成果,包括目标在准轴和非准轴状况下的旋转多普勒效应研究,复杂运动条件下的径向多普勒、微多普勒和旋转多普勒效应的解耦合研究,以及旋转多普勒效应在雷达成像和测速中的应用研究。同时,该文也对该领域亟待解决的问题进行了总结分析,并对未来的研究方向及相关应用进行了展望。

基于涡旋电磁波雷达回波时频图像的动态手势识别

现有基于雷达的动态手势识别技术,通过分析传统电磁波回波中的多普勒效应获取目标特征,并利用深度学习模型获得分类结果。涡旋电磁波的波前相位呈螺旋状,其回波中含有线多普勒和角多普勒,蕴含更多的目标信息。基于涡旋电磁波的独特性质,提出了一种基于涡旋电磁波雷达回波时频图像的动态手势识别方法,将涡旋电磁回波时频图作为特征,输入到深度学习模型中,取得了较好的识别结果。

基于CST的涡旋电磁波虚拟仿真实验教学案例探讨

用CST全波电磁仿真软件实现涡旋电磁波的虚拟仿真实验,给学生提供抽象概念的直观理解。实验以全波电磁仿真软件CST为工具,研究了涡旋电磁波这种抽象难懂的电磁波传播现象,并结合Python语言对仿真结果进行处理,获得了直观形象的教学效果,有利于学生对电磁波基本概念的掌握,了解当前电磁场与电磁波领域的科技前沿,提高综合素质。

一种双频带涡旋电磁波微带天线

本文提出了一种能工作于X波段的双频带涡旋电磁波微带天线.该天线由双面均匀圆形天线阵列Uniform Circular Antenna Array(UCA)和相移馈电网络组成.通过旋转下层的UCA,使之与上层UCA夹角为α,可以实现双频带工作模式;另外,相移馈电网络使天线相邻贴片单元的相位在两个频率处均依次改变-45°,实现了双频带涡旋电磁波辐射.实验结果表明:天线双频带工作带宽为0.85 GHz(7.8~8.65GHz)和0.35GHz(9.9~10.25GHz),且实现了模态数l=+2的双频涡旋电磁波.

论涡旋电磁波轨道角动量传输新维度

轨道角动量(OAM)是电磁波的固有物理量,与电场强度的物理量纲线性无关,可构成无线传输中的新维度。从电磁波资源利用和发展的历史出发,分析了电磁波轨道角动量的物理特征,明确了只有电磁波量子携带内禀OAM的涡旋电磁波传输系统才可以获得MIMO传输以外的无线传输新维度;统计态OAM涡旋波束中的电磁波量子形成的外部OAM与空域维度相耦合,无法构成MIMO传输以外的新维度,但在直射视距(Lo S)信道时可获得额外自由度和较低的复杂度。依据信道容量的不同,将典型涡旋电磁波OAM传输系统划分为4个不同区域,并着重指出量子态OAM涡旋电磁波传输可以形成超越传统MIMO容量界的含有OAM维度的新MIMO容量界。

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。

涡旋电磁波的大气湍流相位畸变校正方法

自由空间传输的涡旋电磁波不可避免地受到大气湍流的干扰,使其螺旋相位发生畸变。为了对抗大气湍流的影响,可以使用相位恢复算法进行校正。文中提出一种改进的Gerchberg-Saxton(GS)相位恢复算法,通过引入优化方向因子,有效地克服了传统GS相位恢复算法陷入局部极小值的困境。随机相位屏的模拟实验结果显示,改进的GS相位恢复算法具有更好的校正效果,根据相对均方根误差评估指标,改进的GS相位恢复算法比传统GS算法改善了35.09%,相比未使用相位恢复算法则改善了64.72%。