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摘要：时间反演电磁波具有自适应时空同步聚焦和能够配合近场亚波长散射体实现远场超分辨聚焦的特性。借助于这些特性,时间反演技术有助于实现高速、安全、小型化的电磁通信系统。本文对时间反演技术在电磁通信领域的应用基础和应用方案进行了深入研究,主要内容概括如下:首先,介绍了时间反演电磁应用系统,尤其是电磁通信系统的研究背景和发展动态。对当前时间反演脉冲通信系统的方案和应用时间反演超分辨特性构建密集通信接收阵列的方式进行了综述,指出了时间反演电磁通信系统进一步研究的方向。同时,对新兴的应用于高速高频模拟通信的色散编码分多址通信方案及其核心器件进行了介绍,分析了其和时间反演技术相互关联、相互促进的关系,指出了两者具有相互融合的潜质。其次,本文对传统时间反演技术应用于脉冲通信系统的具体性能指标进行了分析,在此基础上提出了改进型时间反演通信应用方案并和传统方案进行了性能对比。传统时间反演技术能够自适应地实现最优的功率汇聚特性,在发射功率和传输环境一定的情况下得到最高的信号峰值功率。但其在时域功率扩散、抵抗频率选择性衰落、信号保真等性能指标上仍有进一步提升的空间。本文提出的改进型时间反演通信应用方案能够有效地降低信号时域功率扩散进而降低符号间干扰,还能提高脉冲的保真性能,但功率汇聚性能会有所降低。实际应用中可以根据通信环境、应用需求的不同来选择不同的时间反演应用方案。此外,本文提出了时间反演技术结合重叠脉冲位置调制技术实现高速通信,以及时间反演技术结合人工噪声加载技术实现隐秘通信的新型时间反演通信应用方案,实际搭建的相应通信系统通信效果符合预期设计,拓展了时间反演技术在电磁脉冲通信领域的应用方式,促进了时间反演技术的实际应用。然后,本文基于时间反演腔理论研究了时间反演场在实际应用系统中存在的聚焦场扩散效应,提出了利用CLEAN算法进行单频时间反演场扩散消除,进而实现时间反演多目标识别的技术。同时还结合实际应用分析了离散时间反演镜模型下,时间反演镜不同的位置选取方案对时间反演场的影响,并提出了对应的均衡算法来抵消时间反演镜不规则排布带来的影响。此外,本文以近场周期排布的亚波长金属光栅结构为例,研究了时间反演系统中的倏逝波与传输波转化关系,指出了时间反演系统中重构的倏逝波分量不仅与原始入射分量相关,还与具体的散射体形式相关。在此基础上,本文研究了通过改变散射体位置配合多次测量实现原始倏逝波提取的方案,能够有效地实现原始激励倏逝波重构。在以上对时间反演超分辨聚焦物理机制的研究基础上,本文还创新性地提出了利用后端脉冲赋形网络实现单天线多路复用的时间反演新型超分辨通信系统的方案。实际搭建通信系统的测试结果证明该系统能够在不增加接收天线数量和不降低单路通信速率的基础上,实现多路独立的通信进而提升总的通信速率。最后,对色散编码分多址通信方案和时间反演技术相互融合促进的方式进行了分析研究,提出了利用时间反演器件解决色散编码分多址方案中核心色散编码器精确配对以及高频衰减控制的设计思路。然后,对在两个系统中均为关键器件的色散编码器的设计方案进行了深入研究,利用C型后向耦合结构配合多级级联以及数值优化算法,提出了具有任意群时延曲线的带状线色散编码器的设计方案并进行了仿真验证。同时,提出了利用缺陷地结构改善微带C型耦合结构中存在前向耦合的问题,使之能够符合全通色散编码器应用条件的方案。结合非均匀C型耦合结构设计,对提出的微带应用方案进行了设计验证,加工实测结果表明该方案能够达到设计目的。对色散器件的研究和设计,有助于实用时间反演器件的实现以及配合色散器件构建的时间反演多用户通信系统的技术发展。
关键词：时间反演;脉冲通信
文章目录
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究工作的背景与意义
1.1.1 时间反演电磁系统发展动态
1.1.2 时间反演超分辨通信系统
1.1.3 色散编码分多址通信系统
1.2 本文的主要贡献与创新
1.3 本论文的结构安排
第二章 时间反演脉冲通信系统
2.1 时间反演脉冲通信系统性能指标分析
2.1.1 时域功率聚焦特性
2.1.2 时域功率扩散特性
2.1.3 频率选择性衰落特性
2.1.4 时域信号保真特性
2.2 改进型时间反演系统方案
2.2.1 信号时间反演系统
2.2.2 信道时间反演系统
2.2.3 仿真结果及分析
2.2.4 实验结果及分析
2.3 重叠脉冲位置调制时间反演系统
2.3.1 多元重叠脉冲位置调制
2.3.2 多元重叠脉冲位置调制时间反演通信方案
2.3.3 4 元重叠脉冲位置调制时间反演通信实验结果及分析
2.4 基于时间反演技术的隐秘通信方案
2.4.1 时间反演技术的空间聚焦特性
2.4.2 时间反演技术的时间聚焦特性
2.4.3 时间反演隐秘通信实验验证
2.5 本章小结
第三章 时间反演超分辨现象解析与通信应用
3.1 时间反演场扩散效应成因与消除技术
3.1.1 时间反演场扩散效应分析
3.1.2 时间反演场扩散消除
3.1.3 时间反演镜影响消除技术
3.2 基于倏逝波转化的时间反演超分辨分析
3.2.1 时间反演系统中的空间谱转化
3.2.1.1 金属光栅中的平面波散射
3.2.1.2 时间反演过程中的角谱转化
3.2.1.3 时间反演系统中的平面角谱变换
3.2.2 时间反演系统倏逝波重构性能分析
3.2.2.1 解析计算分析
3.2.2.2 数值计算分析
3.2.3 倏逝波重构的数值计算方法
3.3 基于脉冲赋形技术的时间反演超分辨通信系统
3.3.1 基于脉冲赋形技术的的时间反演通信系统
3.3.2 实验系统与结果分析
3.4 本章小结
第四章 时间反演色散分多址通信系统及关键器件设计
4.1 色散分多址系统与时间反演技术的结合
4.1.1 色散分多址通信系统面临的问题分析
4.1.2 色散分多址与时间反演结合
4.2 带状线色散编码器件设计
4.2.1 带状线C型结构的群时延
4.2.2 具有线性负群时延斜率的带状线色散编码器件设计
4.2.3 具有线性正群时延斜率的带状线色散编码器件设计
4.3 全通微带色散编码器件设计
4.3.1 微带线色散编码器件的问题
4.3.2 带缺陷地结构的耦合微带线参数设计
4.3.3 非均匀微带C型色散编码器件设计
4.3.4 测试结果及分析
4.4 本章小节
第五章 总结与展望
5.1 本文工作总结
5.2 后续研究方向
致谢
参考文献
[1]一种用于时间反演通信的亚波长天线阵列设计[J]. 章志敏,王秉中,葛广顶. 物理学报. 2012(05)
[2]时间反演镜对时间反演电磁波聚焦特性影响因素的研究[J]. 丁帅,王秉中,葛广顶,王多,赵德双. 物理学报. 2011(10)
[3]时间反演电磁波超分辨率特性[J]. 葛广顶,王秉中,黄海燕,郑罡. 物理学报. 2009(12)
[4]重叠与正交脉冲信号下的UWB系统性能研究[J]. 王树立,周杰,姚克友. 电子技术应用. 2008(01)
