基于FDTD的涡旋波束传播特性的数值仿真

作     者：马嘉禹 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张狂

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：时域有限差分法 轨道角动量 模式纯度 散射 雷达散射截面积 

摘      要：有限的信道容量和数据传输速率,逐渐制约用户合理的工作,以往的信道复用技术已经力不从心。轨道角动量（OAM）描述了电磁波携带动量的轨道部分,波束特征是螺旋状的相位分布,以及其高维性和正交性,使其在微波段具有很大应用潜力。理论上可以无限扩大信道容量,这使得近场通信向利用携带多模式OAM的电磁波方向发展。携带OAM的电磁波性质以及其与粒子的相互作用成为本研究核心,立足于散射问题,采用时域有限差分法（FDTD）进行研究。（1）为克服研究粒子散射问题以频域为主导的低效率研究方法,直观地动态地观察目标的散射特性,利用FDTD理论,基于数值稳定度、激励源的设置、边界条件的设置、近远场转换、远场雷达散射截面积（RCS）的计算以及目标的建立。分别利用散射场法和总场/散射场法对仿真空间进行建立,并利用简单介质球、色散媒质球及有耗介质球对平面波散射的远场RCS与解析解对比验证仿真空间建立的正确性。（2）为合成携带OAM的电磁波,基于散射场法,将拉盖尔高斯模信息融合于时域脉冲,使得数值仿真可以合成目标频点为10GHz以及任一目标模式的OAM波束,并依此研究不同模式、不同束腰宽度对波束发散程度的影响并与理论值进行对照、不同焦距对波束的汇聚程度、分数与整数的OAM波束拓扑态转化、提出计算基于FDTD理论的OAM模式纯度的方法以及基于FDTD理论给出提高目标模式的OAM模式纯度的方法;对于总场/散射场法,对边界处的入射场进行相位修正以合成目标频点目标模式的携带OAM的电磁波。（3）为研究粒子对OAM波束的散射特性,基于散射场法研究各向同性介质球及金属球对不同模式OAM波束散射的远场RCS规律、不同尺寸金属块对单一模式OAM波束散射的远场RCS规律;基于总场/散射场法研究不同尺寸色散媒质球对单一模式OAM波束散射的远场RCS规律。