一種基于時間反演傳輸?shù)碾姶徘懈畹秾崿F(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁波的空間傳播與控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于時間反演傳輸?shù)?"電磁切割刀"實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 一直W來，對電磁波的空間傳播與控制的研究主要集中在天線遠(yuǎn)場區(qū)，通過調(diào)控 天線陣元的饋入信號幅度或相位，產(chǎn)生各種賦形波束，如文獻(xiàn)"Abeam-switchingantenna arraywithshapedradiationpatterns(IEEEAntennasandWirelessPropagation Letters, 11:818-821，2012,H.Wang,Z.J.aiang,Z.H.化ng)，，W及文獻(xiàn)"Versatilebeam formingwithconcentricexcitationsbasedonmultipleweightedsineorbessel functiondistribution(IEEETrans.AntennasandPropagation, 61(8):4082-4090,Aug .2013,K.W.Xu,H.Li,Z.B.化u，etal)"等。波束賦形在移動通信、衛(wèi)星通信等無線通信領(lǐng) 域得到了極為廣泛的應(yīng)用，并在保密通信、福射干擾抑制等方面發(fā)揮了重要作用。而隨著近 場通信需求的不斷增加，近場區(qū)電磁波的空間傳播與控制研究也受到了研究者們的關(guān)注， 女日文獻(xiàn)"DesignofNear-FieldSynthesisArraysThroughGlobalOptimization(IEEE Trans.AntennasandPropagation, 63(1):151-165,Jan. 2015,Clauzier,S.Mikki,S. M.Antar，Y.M.M)"討論了如何由遠(yuǎn)區(qū)場綜合出近區(qū)場的方法，為實現(xiàn)近場區(qū)電磁波的空間 傳播與控制提供了可能。然而，無論是在遠(yuǎn)場區(qū)，還是在近場區(qū)，文獻(xiàn)中的研究方法都需要 將預(yù)期區(qū)域的特定場強分布作為目標(biāo)，由場的表達(dá)式出發(fā)，經(jīng)過優(yōu)化算法的大量計算，才能 得到可實現(xiàn)預(yù)期場強分布的陣元激勵信號幅度或相位。同時，在相對復(fù)雜的環(huán)境中，上述方 法受到一定的限制，如何準(zhǔn)確、高效的得到天線激勵面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
[0003] 時間反演（TimeReversal,TR)是近年來在電磁學(xué)領(lǐng)域發(fā)展出的一種新型的無 線傳輸技術(shù)。在復(fù)雜傳播環(huán)境下，TR電磁波表現(xiàn)出空-時同步聚焦、超分辨率聚焦等獨 特的物理特性，該些特性使得TR被廣泛地應(yīng)用于無線通信、微波成像、電磁波功率合成 等領(lǐng)域，用W解決復(fù)雜環(huán)境下的多徑電磁干擾、提高成像分辨率、電磁能量匯聚等技術(shù)難 題。女日文獻(xiàn)"Experimentalverificationoftime-reversalmicrowavehyperthermia system(30thURSIGeneralAssemblyandScientificSymposium, 1-3,Aug. 2011,H. Dobsicek.Trefna,J.De.Berrazueta,M.化rrson)"報道了 一種利用TR傳輸技術(shù)的微波 功率合成系統(tǒng)，實現(xiàn)了預(yù)期位置電場強度的單點聚焦，對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行微波熱療。2014 年，Kaina等人結(jié)合TR聚焦傳輸思想和簡易的電磁能量反饋技術(shù)，報道了一項備受研究 者關(guān)注的實驗，該實驗在室內(nèi)復(fù)雜多徑環(huán)境下實現(xiàn)了電磁波的聚焦，具體內(nèi)容可參見文獻(xiàn) "Shapingcomplexmicrowavefieldsinreverberatingmediawithbinarytunable metasurfaces(ScientificReports,4:6693,2014,N.Kaina,M.Dupre,G.Lerosey,M. Fink)"〇
[0004] 此外，專利申請"基于時間反演電磁波傳輸?shù)目臻g電磁場賦形產(chǎn)生方法，申請?zhí)?201410440116. 7, 2014. 08. 29"提出了一種基于TR傳輸技術(shù)的空間電磁場賦形方法，但是 該方法無法實現(xiàn)電磁波聚焦點沿預(yù)期軌跡運動。
[0005] TR電磁波的空-時同步聚焦傳輸對環(huán)境具有較強的自適應(yīng)能力，利用TR自身的物 理優(yōu)化功能，得到所需的天線激勵，在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)對電磁波的空間傳播與控制有巨大 的潛力。而目前多數(shù)基于TR的研究集中在電磁波的單點聚焦和一定場強分布的瞬時聚焦， 對電磁波動態(tài)聚焦的研究還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所述的"電磁切割刀"功能類似于腫瘤治療領(lǐng)域的"伽瑪?shù)?，其工作機(jī)理是 使電場強度在預(yù)期位置處幅值達(dá)到最大，通過控制激勵波形，使得聚焦點沿預(yù)期切割軌跡 運動，實現(xiàn)電磁波在預(yù)期切割軌跡上的動態(tài)聚焦，進(jìn)而為實現(xiàn)沿預(yù)期軌跡的電磁切割提供 依據(jù)。
[0007] 本發(fā)明提供了一種可實現(xiàn)"電磁切割刀"功能的天線激勵波形綜合方法，該方法基 于時間反演電磁理論，借助TR電磁波的空-時同步聚焦傳輸機(jī)制，首先，通過布置在預(yù)期切 割軌跡上的源陣列各陣元依次W-定的時間間隔異步發(fā)射信號；其次，將布置在源陣列周 圍的次生源陣列接收的信號在時間軸上進(jìn)行反轉(zhuǎn)，得到時間反演波形，也即各陣元所需的 激勵波形；最后，移除源陣列，并且將得到的激勵波形分別饋入相應(yīng)的次生源陣列各陣元同 步發(fā)射，即可實現(xiàn)電磁波在預(yù)期切割軌跡上的動態(tài)聚焦，為實際實現(xiàn)電磁切割刀功能提供 了依據(jù)。相比傳統(tǒng)的通過優(yōu)化算法并經(jīng)過大量計算得到各陣元激勵的方法，本發(fā)明方法利 用時間反演的聚焦傳輸機(jī)制，通過源陣列信號的一次正向傳輸，就可W準(zhǔn)確、高效地得到所 需陣元激勵波形，進(jìn)而實現(xiàn)電磁波在預(yù)期切割軌跡上的動態(tài)聚焦。
[000引本發(fā)明的技術(shù)方案；
[0009] 一種可實現(xiàn)"電磁切割刀"功能的天線激勵波形綜合方法，包括W下步驟：
[0010] 步驟一：將指定的切割軌跡在空間上離散化成沿軌跡排布的柵格點陣，在每一個 離散的柵格點上安置一個H面全向性天線，由此構(gòu)成一個沿切割軌跡排布的源陣列，所述H 面全向性天線的H面與切割軌跡所在平面平行；所述切割軌跡的起點記為Sd、終點記為Ed， 將切割軌跡上的H面全向性天線沿切割軌跡從所述軌跡的終點Ed開始按順序編號；
[0011] 步驟二：在所述源陣列的周圍布置一個其所在平面與切割軌跡所在平面重合的次 生源陣列，該次生源陣列可完整接收源陣列福射至次生源陣列所圍成輪廓位置的電磁波；
[0012] 步驟將相同的激勵信號分別饋入源陣列各H面全向性天線中，源陣列各天線 單元按順序編號依次W-定的時間間隔At異步發(fā)射信號，其中，相鄰陣元間的信號發(fā)射 延遲時間At由指定切割軌跡上相鄰陣元沿軌跡的中屯、間距S和聚焦點的運動速度V的比 值確定，即At=s/v;
[0013] 步驟四：次生源陣列接收源陣列福射出的電磁波信號，且次生源陣列各天線單元 記錄下其各自接收到的信號；
[0014] 步驟五：對步驟四中次生源陣列各陣元接收到的信號在時間軸上進(jìn)行反轉(zhuǎn)操作， 得到各陣元的時間反演波形，也即次生源陣列各陣元所需的激勵波形；
[0015] 步驟六：移除整個源陣列，將步驟五中得到的各陣元的時間反演波形饋入次生源 陣列相應(yīng)的各陣元中，各陣元同步發(fā)射各自相應(yīng)的時間反演波形，即可在指定的切割軌跡 上形成電磁波的動態(tài)聚焦。
[0016] 進(jìn)一步的，所述源陣列采用的H面全向性天線可w是偶極子天線或平面單極子天 線，所述次生源陣列的陣列單元可W是上述H面全向性天線或?qū)挷ㄊ较驁D天線，且源陣 列相鄰陣元間距不大于中屯、頻率對應(yīng)的半個自由空間波長。
[0017] 進(jìn)一步的，所述次生源陣列所圍成的輪廓可為圓形、方形、與指定的切割軌跡相同 的形狀或其他形狀，只需保證該次生源陣列可完整接收源陣列福射至次生源陣列所圍成輪 廓位置上的電磁波。
[0018] 本發(fā)明中，"電磁切割刀"功能的實現(xiàn)要求電磁波聚焦點能夠嚴(yán)格依照預(yù)期的切割 軌跡做曲線或直線運動，其中，關(guān)鍵技術(shù)是上述步驟=中在相鄰陣元間引入信號發(fā)射延遲 時間At,通過源陣列各天線單元依次W-定的時間間隔異步發(fā)射信號。而信號發(fā)射延遲時 間At是由指定切割軌跡上相鄰陣元沿軌跡的中屯、間距S和聚焦點的運動速度V的比值確 定的，即At=s/v。因此，通過控制源陣列各天線單元的位置和相鄰陣元間的信號發(fā)射延 遲時間，可W實現(xiàn)對預(yù)期電磁波聚焦點運動速度的控制。需注意的是，上述發(fā)射延遲時間計 算公式的應(yīng)用條件是電磁波聚焦點運動速度應(yīng)該遠(yuǎn)小于光速；如果聚焦點運動速度可與光 速相比擬時，則需要計入多普勒效應(yīng)。
[0019] 理論證明，在沒有散射體存在的自由空間中，TR電磁波的聚焦半徑約為半個波長， 為保證在預(yù)期切割軌跡上形成電磁波動態(tài)聚焦的連續(xù)過渡，進(jìn)而實現(xiàn)"電磁切割刀"功能， 源陣列相鄰陣元間距應(yīng)不大于半個波長；而對于次生源陣列，陣元數(shù)越多，記錄的信號信息 越完整，電磁波動態(tài)聚焦效果越好，能更加準(zhǔn)確的實現(xiàn)"電磁切割刀"功能，因此，次生源陣 列布置的陣元越密越好。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：
[0021] (1)本發(fā)明利用時間反演技術(shù)的空-時聚焦特性，通過一次正向傳輸，就可W得到 可實現(xiàn)"電磁切割刀"功能的天線激勵波形，相比傳統(tǒng)的通過優(yōu)化算法進(jìn)行大量計算獲得激 勵波形的方法，本發(fā)明方法更加簡單、高效；
[0022] (2)本發(fā)明通過源陣列各陣元依次W-定的時間間隔異步發(fā)射信號，得到了可實 現(xiàn)在預(yù)期切割軌跡上形成電磁波