基于时间反演电磁波的稀疏阵列单频信号空间功率合成

陈秋菊; 姜秋喜; 曾芳玲; 宋长宝

doi:10.7498/aps.64.204101

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摘要

基于时间反演技术, 建立了稀疏阵列单频信号相干合成的数学模型, 定义了合成效率函数概念, 推导出合成信号幅度最大时刻目标点合成效率值的统计特征与相位误差及阵元数的关系表达式, 并通过理论分析与仿真计算研究了相位误差对时间反演单频信号合成效果的影响. 分析表明, 当其他参数确定时, 假设相位误差服从一定范围的均匀分布, 且相互独立, 则峰值功率时刻的合成效率均值与阵元数无关, 仅与误差分布范围有关; 峰值功率时刻的合成效率方差与两者均相关, 且误差分布范围确定时, 阵元数越大, 峰值功率时刻的合成效率方差越小. 仿真计算结果表明, 即使存在一定的相位误差, 利用时间反演技术, 仍可实现单频信号在目标点邻域的相干合成及能量聚焦; 对相位误差的控制精度应结合需求与实现条件折中考虑. 本文的方法与结论可为研究稀疏阵列功率合成在高功率微波武器等技术中的应用提供理论依据.

关键词:

作者及机构信息

1.
电子工程学院, 信息处理重点实验室, 合肥 230037

参考文献

[1]	Fink M, Prada C, Wu F 1989 IEEE Ultrasonics Symposium 1 681
[2]	Lerosey G, Rosny J D, Tourin A 2004 Phys. Rev. Lett. 92 186
[3]	Carminati R, Pierrat R, Rosny J 2007 Opt. Lett. 32 3107
[4]	Wang B Z, Zang R, Zhou H C 2013 J. Microwaves 29 25 (in Chinese) [王秉中, 臧锐, 周洪澄 2013 微波学报 29 25]
[5]	Song Y, Guo N, Qiu R C 2011 IEEE Antenn. Wirel. Pr. Lett. 10 796
[6]	Song Y, Guo N, Qiu R C 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 3933
[7]	Naqvi H, Zein G E, Lerosey G 2010 IET Microwave Antennas Propag. 4 643
[8]	Dubois T, Crussire M, Hlard M 2010 Proc. 4th Int. Conf. Signal Processing and Communication Systems 1 1
[9]	Zhou H C, Wang B Z, Ding S, Ou H Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 114101 (in Chinese) [周洪澄, 王秉中, 丁帅, 欧海燕 2013 物理学报 62 114101]
[10]	Ding S, Wang B Z, Ge G D, Wang D, Zhao D S 2012 Acta Phys. Sin. 61 064101 (in Chinese) [丁帅, 王秉中, 葛广顶, 王多, 赵德双 2012 物理学报 61 064101]
[11]	Wang B Z, Liang M S, Ji Q S, Gang B, Zhang Z M 2014 Chin. Phys. B 23 048403
[12]	Chen Y M, Wang B Z 2012 Chin. Phys. B 21 026401
[13]	Tu H L, Xiao S Q, Yang Z J, Wang B Z 2014 Acta Phys. Sin. 63 084102 (in Chinese) [屠惠琳, 肖绍球, 杨智杰, 王秉中 2014 物理学报 63 084102]
[14]	Zhang J Y 2006 M. S. Dissertation (Changsha: National University of Defense Technology) (in Chinese) [张嘉焱 2006 硕士学位论文(长沙:国防科学技术大学)]
[15]	Lu T 2009 M. S. Dissertation (Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China) (in Chinese) [路通 2009 硕士学位论文 (成都:电子科技大学)]

施引文献

[1]	Fink M, Prada C, Wu F 1989 IEEE Ultrasonics Symposium 1 681
[2]	Lerosey G, Rosny J D, Tourin A 2004 Phys. Rev. Lett. 92 186
[3]	Carminati R, Pierrat R, Rosny J 2007 Opt. Lett. 32 3107
[4]	Wang B Z, Zang R, Zhou H C 2013 J. Microwaves 29 25 (in Chinese) [王秉中, 臧锐, 周洪澄 2013 微波学报 29 25]
[5]	Song Y, Guo N, Qiu R C 2011 IEEE Antenn. Wirel. Pr. Lett. 10 796
[6]	Song Y, Guo N, Qiu R C 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 3933
[7]	Naqvi H, Zein G E, Lerosey G 2010 IET Microwave Antennas Propag. 4 643
[8]	Dubois T, Crussire M, Hlard M 2010 Proc. 4th Int. Conf. Signal Processing and Communication Systems 1 1
[9]	Zhou H C, Wang B Z, Ding S, Ou H Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 114101 (in Chinese) [周洪澄, 王秉中, 丁帅, 欧海燕 2013 物理学报 62 114101]
[10]	Ding S, Wang B Z, Ge G D, Wang D, Zhao D S 2012 Acta Phys. Sin. 61 064101 (in Chinese) [丁帅, 王秉中, 葛广顶, 王多, 赵德双 2012 物理学报 61 064101]
[11]	Wang B Z, Liang M S, Ji Q S, Gang B, Zhang Z M 2014 Chin. Phys. B 23 048403
[12]	Chen Y M, Wang B Z 2012 Chin. Phys. B 21 026401
[13]	Tu H L, Xiao S Q, Yang Z J, Wang B Z 2014 Acta Phys. Sin. 63 084102 (in Chinese) [屠惠琳, 肖绍球, 杨智杰, 王秉中 2014 物理学报 63 084102]
[14]	Zhang J Y 2006 M. S. Dissertation (Changsha: National University of Defense Technology) (in Chinese) [张嘉焱 2006 硕士学位论文(长沙:国防科学技术大学)]
[15]	Lu T 2009 M. S. Dissertation (Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China) (in Chinese) [路通 2009 硕士学位论文 (成都:电子科技大学)]

[1]	屠惠琳, 肖绍球, 杨智杰, 王秉中. 基于时间反演电磁波的微结构天线的单频点超分辨力聚焦研究. 物理学报, 2014, 63(8): 084102. doi: 10.7498/aps.63.084102
[2]	丁帅, 王秉中, 葛广顶, 王多, 赵德双. 基于时间透镜原理实现微波信号时间反演. 物理学报, 2012, 61(6): 064101. doi: 10.7498/aps.61.064101
[3]	章志敏, 王秉中, 葛广顶. 一种用于时间反演通信的亚波长天线阵列设计. 物理学报, 2012, 61(5): 058402. doi: 10.7498/aps.61.058402
[4]	梁木生, 王秉中, 章志敏, 丁帅, 臧锐. 基于远场时间反演的亚波长天线阵列研究. 物理学报, 2013, 62(5): 058401. doi: 10.7498/aps.62.058401
[5]	周洪澄, 王秉中, 丁帅, 欧海燕. 时间反演电磁波在金属丝阵列媒质中的超分辨率聚焦. 物理学报, 2013, 62(11): 114101. doi: 10.7498/aps.62.114101
[6]	陈英明, 王秉中, 葛广顶. 微波时间反演系统的空间超分辨率机理. 物理学报, 2012, 61(2): 024101. doi: 10.7498/aps.61.024101
[7]	焦敬品, 李海平, 何存富, 吴斌, 薛岩. 基于反转路径差信号的兰姆波成像方法. 物理学报, 2019, 68(12): 124301. doi: 10.7498/aps.68.20190101
[8]	冯菊, 廖成, 张青洪, 盛楠, 周海京. 蒸发波导中的时间反演抛物方程定位法. 物理学报, 2014, 63(13): 134101. doi: 10.7498/aps.63.134101
[9]	龚志双, 王秉中, 王任, 臧锐, 王晓华. 基于光栅结构的远场时间反演亚波长源成像. 物理学报, 2017, 66(4): 044101. doi: 10.7498/aps.66.044101
[10]	朱江, 王雁, 杨甜. 无线多径信道中基于时间反演的物理层安全传输机制. 物理学报, 2018, 67(5): 050201. doi: 10.7498/aps.67.20172134
[11]	张洪波, 张希仁. 用于实现散射介质中时间反演的数字相位共轭的相干性. 物理学报, 2018, 67(5): 054201. doi: 10.7498/aps.67.20172308

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基于时间反演电磁波的稀疏阵列单频信号空间功率合成

1. 电子工程学院, 信息处理重点实验室, 合肥 230037

收稿日期: 2015-04-28

修回日期: 2015-05-23

刊出日期: 2015-10-20

摘要: 基于时间反演技术, 建立了稀疏阵列单频信号相干合成的数学模型, 定义了合成效率函数概念, 推导出合成信号幅度最大时刻目标点合成效率值的统计特征与相位误差及阵元数的关系表达式, 并通过理论分析与仿真计算研究了相位误差对时间反演单频信号合成效果的影响. 分析表明, 当其他参数确定时, 假设相位误差服从一定范围的均匀分布, 且相互独立, 则峰值功率时刻的合成效率均值与阵元数无关, 仅与误差分布范围有关; 峰值功率时刻的合成效率方差与两者均相关, 且误差分布范围确定时, 阵元数越大, 峰值功率时刻的合成效率方差越小. 仿真计算结果表明, 即使存在一定的相位误差, 利用时间反演技术, 仍可实现单频信号在目标点邻域的相干合成及能量聚焦; 对相位误差的控制精度应结合需求与实现条件折中考虑. 本文的方法与结论可为研究稀疏阵列功率合成在高功率微波武器等技术中的应用提供理论依据.

关键词:

Single frequency spatial power combining using sparse array based on time reversal of electromagnetic wave

1.
Key Laboratory of Information Processing, Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China

Received Date: 28 April 2015

Accepted Date: 23 May 2015

Published Online: 20 October 2015

Abstract: Based on time-reversal (TR) technique, the model of single frequency spatial power combining using sparse array is established. The efficiency function of spatial power combining is defined. The expression for the relationship of the statistical characteristics of combining efficiency at the time of maximum amplitude with the phase error and the number of array elements is derived. The analysis shows that when other parameters are determined, if the phase errors of the array nodes are mutually independent, and obey the uniform distribution to a certain extent, the combing efficiency's mean would not be related to the number of array elements N, but related to the statistic parameter of phase error. The combing efficiency's variance is related to not only the statistic parameter of phase errors, but also N. Once the statistic parameter of phase error is fixed, the greater the value of N, the smaller the variance is. So, in the engineering application, a large number of small power nodes could be used to reduce the phase error's effect. In addition, the influence of phase error on the combining efficiency is investigated by both theoretical analysis and the numerical simulation. The results show that when the array elements work at the same frequency, polarization and antenna type, the parameter of phase error would affect the combing result. The smaller the parameter of phase error, the larger the power of the effective point is, and the more concentrative the effective points' distribution is; the greater the parameter of phase error, the smaller the power of the effective point is, and the more dispersed the effective points' distribution is. It is also seen that even though the phase error occurs, the spatial power combining can still be realized with the time reversal technique. The determination of the phase control precision is the compromise between the requirements and the possibility. The results presented in this paper are useful for developing the microwave weapons with high power and electronic warfare.

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