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基于时间反演的回溯天线阵设计

基于时间反演的回溯天线阵设计

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作者：葛钊电子科技大学

学位级别：硕士

面对更高通信效率的追求,大批智能天线技术涌现,其中一个重要领域是方向自动溯源的收发系统,它能够针对未知方向的来波信号,在不需要先验条件的情况下,使回传的信号具备自适应传往来波方向的能力。在国际相关技术发展史上最先出现的是... 详细信息

面对更高通信效率的追求,大批智能天线技术涌现,其中一个重要领域是方向自动溯源的收发系统,它能够针对未知方向的来波信号,在不需要先验条件的情况下,使回传的信号具备自适应传往来波方向的能力。在国际相关技术发展史上最先出现的是角反射器、Van Atta阵,到后面技术逐步发展后产生的相位共轭电路技术和数字信号处理技术等。本文研究目的是设计和制作出可以实现方向回溯功能的天线阵系统。本文首先总结和对比了各种方向回溯天线阵技术的设计思路和实现方法,然后研究了如何通过相位共轭变换来实现时间反演,并在天线阵中验证了该理论的可行性,最终选择了使用相位共轭混频电路实现方向回溯功能的技术路线。其次,研究超外差混频电路的结构和原理,表明该电路能够实现相位共轭功能,并通过先进设计系统软件搭建超外差混频电路模型,针对该电路的信号处理功能进行仿真验证,总结了实现相位共轭混频电路功能所需的模块如放大器、锁相环、混频器等的原理和性能指标,完成了合适的器件选择和时间反演电路部分结构的设计。基于印刷电路板的设计规则和原理,利用软件Altium Designer软件来构建相位共轭信号处理功能的电路设计原理图和印刷电路板的结构图。进一步地,选用正交极化贴片微带天线设计收发天线阵电路部分,结合时间反演电路部分构成完整的方向回溯天线阵系统。对整个系统模型进行全波电磁仿真验证,获得该系统在不同来波方向情况下的方向回溯性能,验证并实现通过改变射频信号处理电路的放大器的增益来使得整个系统实现准确和可靠的重定向能力,其中,样机的散射状况可以通过雷达散射截面（Radar Cross Section,RCS）来进行表征。最后,基于设计原理图和仿真结果制作出时间反演方向回溯天线阵样机实物。

关键词：方向回溯时间反演理论天线阵锁相环雷达散射截面

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基于时间反演的RCS可调技术研究

基于时间反演的RCS可调技术研究

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作者：朱占凡电子科技大学

学位级别：硕士

随着无线通信技术的快速发展,移动通信用户的急剧增长,频谱资源日益紧张,具有自动方向追踪能力的低成本、高增益、紧凑型的天线系统备受关注。同时为了保证天线系统在多种场景下的高适用性,如增大系统雷达散射截面(RCS)的目标探测技术... 详细信息

随着无线通信技术的快速发展,移动通信用户的急剧增长,频谱资源日益紧张,具有自动方向追踪能力的低成本、高增益、紧凑型的天线系统备受关注。同时为了保证天线系统在多种场景下的高适用性,如增大系统雷达散射截面(RCS)的目标探测技术、降低系统RCS的隐身技术等,基于方向回溯天线实现系统的RCS参数可调也成为了研究的重点。针对传统的方向回溯系统包括角反射器无法调制后向散射信号、Van Atta阵天线效率太低等问题,基于时间反演理论实现的方向回溯天线是一种新的方向。本论文的目的是设计并制作出系统RCS参数可调的方向回溯天线阵,主要研究内容包括:1.针对传统角反射器系统无法调制后向散射信号的问题,基于无源微波器件罗特曼(Rotman)透镜设计回溯天线阵系统并实现RCS参数可调,该设计通过时间反演电磁波的共轭相位响应实现对平面波束的方向回溯。设计了在10GHz工作频率下,由13个波束端口和10个阵列端口组成的Rotman透镜,仿真结果表明透镜具有幅度一致性和固定相位差分布的输出端口特性,并实现-45°至45°的波束扫描范围。同时在透镜波束端口连接处设计了由开关、环形器和放大器组成的RCS控制电路,通过调节电路中放大器的增益可以实现系统的RCS参数可调。2.针对单一贴片天线辐射增益较小的问题,基于微带阵列天线理论设计了串馈式微带阵列天线作为与透镜相连的辐射单元,可以实现较小的回波损耗和较高的方向图增益。同时对整个系统模型进行全波电磁仿真验证,结果表明系统能够实现9.85至10.15GHz带宽范围内平面波输入信号的方向回溯。然后通过调节RCS控制电路,验证了通过电路放大器来控制天线阵系统RCS参数可调的可行性。最后,基于仿真结果和建模设计图制作出方向回溯天线阵实物结构。3.针对多平台条件下方向回溯时的时空频不一致问题,基于时间反演理论提出一种适用于分布式运动平台的相位共轭电路,电路主要由载波提取模块和混频模块组成,基于ADS仿真环境对电路各个组成部分进行建模和仿真,验证电路实现相位共轭的可行性。

关键词：时间反演理论方向回溯雷达散射截面罗特曼透镜微带天线

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非侵入式生物体内电磁聚焦关键技术研究

非侵入式生物体内电磁聚焦关键技术研究

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作者：张业佳北京邮电大学

学位级别：硕士

非侵入式的医疗手段可以给病患减少痛苦,运用电磁聚焦技术可以实现非侵入式的医疗操作,在生物医疗的领域有着巨大的意义。然而关于非侵入式的非均匀介质内的电磁聚焦却存在着一些问题与挑战。首先当前广泛使用的环状电磁聚焦相控阵制作... 详细信息

非侵入式的医疗手段可以给病患减少痛苦,运用电磁聚焦技术可以实现非侵入式的医疗操作,在生物医疗的领域有着巨大的意义。然而关于非侵入式的非均匀介质内的电磁聚焦却存在着一些问题与挑战。首先当前广泛使用的环状电磁聚焦相控阵制作成本较高,在使用的过程中对于各个单元的初始相位的计算也比较困难。其次使用相控阵需要对阵列中的每个天线的相位进行调制,操作起来较为复杂。其三是生物体内电磁环境复杂,介质的电磁属性非常的不规则,这对于计算天线单元的初始相位带来了不小的麻烦。为了探究这些问题,本论文研究了电磁聚焦技术,结合了透射阵理论和相控阵理论的知识与时间反演的理论,研究内容主要包括以下几个部分:首先,大多数研究都倾向于使用环状结构或者共形结构的相控阵来实现生物体内的电磁聚焦。实际上平面的相控阵的制作方法较为简单,使用过程也较为方便。本论文将平面结构的相控阵与环状结构的相控阵的电磁聚焦效果也进行了比较,环状结构相控阵的HPR相较平面结构缩小了 20%,既说明了环状结构相控阵的电磁聚焦能力优于平面结构相控阵的电磁聚焦能力,也验证了即使使用平面结构的相控阵也能实现较好的电磁聚焦效果。其次,中外的研究主要运用相控阵来实现生物体内的电磁聚焦,需要对相控阵列中每个天线的初始相位进行调制,操作起来较为复杂。实际上超表面透射阵通过对电磁波相位的调制,也能实现电磁波在特定位置的聚焦。本论文独立设计了一款三层旋转臂万字形透射单元,该单元在工作频率上具有良好的透射率与相位调节能力。并且也运用该透射单元进行了组阵,实现了目标焦点可调控的电磁聚焦。证明了超表面透射阵能够取得一定程度的电磁聚焦效果。最后,由于实际操作过程中,生物体内的复杂介质分布情况,会给各个单元初始相位的计算带来巨大的计算成本,为了解决这个问题,本论文也将时间反演算法与相控阵理论结合,实现了计算量更小,效果更优的电磁聚焦。除此之外,本文专注基础理论的研究,深度分析了电磁聚焦的相关理论,对相控阵的基本原理与其对电磁聚焦效果的影响也有简要的分析。同时也对超表面透射阵的原理也进行了探究,并对各单元相位相位的补偿量给出了计算方法。此外还有对时间反演基本理论的介绍,并且简单阐释了电磁聚焦效果的评估方法。其中创新点主要包括:提出了一款三层旋转臂万字形透射单元,并且进行组阵实现了基于透射超表面阵的电磁聚焦。仿真结果表明,该透射单元在满足透射率高于-2dB的同时,能够实现340°的相位补偿,组成透射超表面阵也实现了电磁聚焦。使用时间反演算法,优化了相位计算方法,实现了非均匀条件下的电磁聚焦,并且提高了相控阵的电磁聚焦性能。仿真结果表明,优化后的电磁聚焦系统焦偏缩小了约28%。

关键词：电磁聚焦相控阵透射单元透射超表面阵时间反演理论

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