CN104331317A - 基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法，该方法基于时间反演电磁理论，借助时间反演电磁波的空时聚焦原理，将电磁波聚焦成特定几何形状，进而实现预期的空间电磁场强度分布图形。空间电磁场赋形不同于空间点聚焦以及天线波束赋形，它不局限于将能量以聚焦于一个点或者某一个传播方向，而是在空间区域内使电磁波的能量能够在一个特定形状的位置聚焦，形成一个特定的赋形电磁场，相当于是不同电磁波从不同方向传播，最终在空间预期位置形状内达到能量的聚焦，形成一个赋形电磁场。本发明利用时间反演电磁波传输方法，可以简单、方便地得到一个预期赋形电磁场。

Description

基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法

技术领域

本发明属于电磁波的空间传播与控制领域，具体涉及一种基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法。 

背景技术

赋形是指赋予某一物质或物体以特定的几何形体。在电磁学领域，赋形有大量的研究，特别是波束赋形。波束赋形是指通过合理地设计天线阵列的各阵元的激励幅度和相位，使天线阵列的远场区辐射方向图变为某一特定的几何形状，用以覆盖特定的通信区域，例如锥形、扇形、平顶波束、马鞍波束等等。波束赋形在移动通信、卫星通信、保密通信中应用极为广泛，例如文献“叶圆，波束赋形技术在TD-SCDMA网络优化中的应用，通信技术，第42卷，第10期，2009”，“李晓明等，利用智能天线广播波束赋形实现小区覆盖优化，电信科学，第6期，2009”等，分别研究了波束赋形在个人无线通信网络中的应用。为解决基站多通信目标问题，论文“白小平，基站天线波束赋形及其应用研究，西安电子科技大学，2013.03”通过研究，采用软件技术实现出了窄波束、宽波束、马鞍形波束、垂直面下倾波束等多种特定波束。虽然人们对波束赋形研究比较深入，但这些研究仅仅局限于对天线阵列的远场辐射方向图进行赋形，且其赋形空间也只能局限于在远场区的空间立体角范围。 

随着电磁波的应用范围不断扩大，特别是在生物、医学、化学、工业等领域中的应用，急需研究电磁波信号的空间场赋形。例如，肿瘤化疗、生物效应研究、微波育种、微波加热、微波切割等等，这些应用均需求能够将电磁场能量汇聚在某一固定的区域，用以对特定的作用对象进行微波作用。与天线阵的波束赋形不同，空间电磁场赋形是指在特定的时域和空间范围内，使电磁波信号的场强度分布满足或达到预期指定的空间几何形状。其通常要求在作用对象范围内形成特定形状的空间场强分布，而不是辐射远场区，也不是像天线阵列那样在 某一立体角范围内进行赋形。相比天线阵列的波束赋形，空间电磁场赋形应用范围更为广泛，但技术实现难度也极大。 

时间反演(Time Reversal，TR)是近年来电磁学领域发展出的一种新型的自适应空间电磁波传输技术。在复杂的电磁波传播环境下，时间反演电磁波可表现出空时同步聚焦、超分辨率聚焦等独特的物理特性，这些特性可广泛地将其应用于无线通信、微波成像、电磁波功率合成等领域，用以解决复杂电磁环境下的多径电磁干扰、电磁能量汇聚、提高成像分辨率等技术难题。2011年，H.Dobsicek等人利用时间反演传输技术，研制出了一种微波功率合成系统，通过利用功率合成方法，实现电磁场能量的单点聚焦，进而实现对细胞进行微波治疗，具体方法与技术详见参考文献“H.Dobsicek等，时间反演微波过热系统的实验验证，第30次国际无线电科技联盟联合国大会和科学讨论会，页码13-20，2011年”。2013年，M.D.Hossain等基于时间反演技术，提出了一种新型微波成像方法，并实验证明，相比传统的时间反演微波成像技术，波束域时间反演微波成像技术对癌细胞目标位置的识别效率更高、精度更好，具体内容可参见文献“M.D.Hossain等，用于乳腺癌细胞检测的波束域时间反演微波成像，电气与电子工程师协会天线与无线传播，第12卷，页码241-244，2013年”。 

众多研究表明，时间反演对电磁波的聚焦传输具有较强的自适应传输控制效果，但通过对现有文献和资料的调研发现，多数研究基于电磁波能量单点聚焦传输控制。目前，还未见到采用时间反演电磁波传输方法，实现电磁波信号的空间场赋形。 

发明内容

本发明提供了一种基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法，该方法基于时间反演电磁理论，借助时间反演电磁波的空时聚焦原理，将电磁波聚焦成特定几何形状，进而实现预期的空间电磁场强度分布图形。空间电磁场赋形不同于空间点聚焦以及天线波束赋形，它不局限于将能量以聚焦于一个点或者某一个传播方向，而是在空间区域内使电磁波的能量能够在一个特定形状的位置聚焦，形成一个特定的赋形电磁场，相当于是不同电磁波从不同方向传播，最终在空间预期位置形状内达到能量的聚焦，形成一个赋形电磁场。本发明 利用时间反演电磁波传输方法，可以简单、方便地得到一个预期赋形电磁场。 

本发明的技术方案： 

一种基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法，包括以下步骤： 

步骤一：在预期的赋形场所在区域，利用全向性天线，构建一个“赋形场天线阵”作为发射阵列，此阵列的几何部署与预期赋形场的形状保持相同。 

步骤二：在赋形场区域外围，利用相同的全向性天线，以“赋形场天线阵”作为中心，距其边缘阵元天线一定的空间距离，构建一个包围或半包围“赋形场天线阵”的“时间反演天线阵”作为接收阵列，用于记录“赋形场天线阵”发射过来的电磁信号。 

步骤三：采用相同的激励信号对“赋形场天线阵”所有阵元进行同步激励，产生电磁辐射信号。 

步骤四：利用“时间反演天线阵”对“赋形场天线阵”辐射出的电磁波信号进行接收和采集，并记录下各阵元接收到的信号。 

步骤五：利用计算机将步骤四接收到的每个信号均做时间反演处理，即在时间轴上做镜像或翻转操作，得到各阵元对应的时间反演信号。 

步骤六：移除“赋形场天线阵”，设置场观察器，用来观察在步骤八中时间反演信号产生的空间电磁场分布。 

步骤七：将步骤五所得到的时间反演信号，同步馈入到对应的“时间反演天线阵”的每个阵元，作为“时间反演天线阵”的激励信号。 

步骤八：将步骤七激励信号辐射出去，即可在“赋形场天线阵”所在空间位置上产生与预期形状一致的赋形电磁场。此赋形场的空间几何图案由步骤五中的场观察器进行探测。 

所述“时间反演天线阵”及“赋形场天线阵”采用的全向性天线为偶极子天线或平面单 极子天线。 

所述“时间反演天线阵”可以是圆形阵或半圆阵，也可以是方形阵或U型阵。 

所述步骤三中采用的激励信号为脉冲信号或单频信号。 

所述“赋形场天线阵”每个阵元天线之间的间距小于半个波长。 

本发明的理论基础是时间反演技术的时空聚焦原理。研究表明，时间反演信号蕴含了丰富的时间和空间信息。对天线接收信号进行时间反演处理，在一定情况下可以实现信号源的再现。本发明正是基于这一原理，根据预期赋形场的空间几何形状，构建一个与预期赋形场形状一致的“赋形场天线阵”，作为激励信号源。然后，由“时间反演天线阵”进行源信号的接收、时间反演处理与传输。通过时间反演传输，在“赋形场天线阵”所在区域内实现信号源的再现，也即空间电磁场的赋形。需要注意的是，在自由空间中，时间反演无线传输的聚焦半径约为半个波长，为保证产生的赋形场空间图案较为平滑，设计时要确保“赋形场天线阵”相邻阵元间距小于半个波长。而对于布置在“赋形场天线阵”四周的“时间反演天线阵”，阵元数越多，记录的信号越完整，电磁场赋形效果也越好。因此，“时间反演天线阵”的阵元布置的越密越好。 

本发明具有以下特点： 

(1)赋形电磁场产生方法利用了时间反演技术的时空聚焦特性，不同于传统的利用时间反演控制波的点处聚焦或传播方向，而是实现了空间特定形状分布的能量聚焦，实现了空间电磁场赋形； 

(2)本发明不需要复杂繁琐的计算，实现方法简单、方便； 

(3)本发明可以与微波热疗等生物技术相结合，产生更好的治疗效果。微波热疗是用波的聚焦能量来治疗生物细胞，但是它一次仅可以治疗波聚焦半径内的细胞，若与本发明相结合，对要热疗的细胞区域进行对应的赋形操作，则可以同时对生物细胞进行区域赋形热疗。 这样不仅可以更精确地实现局部治疗，还可以缩减治疗时间。 

(4)本发明拟将在生物医疗、通信等领域有着潜在的应用前景，如癌细胞摧毁、保密通信、定形切割等。在工业、生物医疗等应用上，可以采用电磁波能量的集中对某个物品进行切割，一般传统的能量聚焦分布都是点聚焦，按照需要切割的形状轨迹控制着聚焦点的移动，这种切割容易因为人为的主观原因而导致切割轨迹出现一些偏差。然而若将电磁场赋形用于切割技术，那么我们就可以实现定形切割，根据所要切割的轨迹形状对其进行相应的赋形，这样就可以更精准的实现定形切割，使其操作更加简便。 

附图说明

图1为本发明实施例所选择的“赋形场天线阵”和“时间反演天线阵”的两个阵列的平面结构示意图。 

图2为本发明实施例中，偶极子天线的电磁仿真模型结构示意图。 

图3为本发明实施例中，偶极子天线的S11参数。 

图4为本发明实施例中，赋形电磁场产生方法的电磁仿真模型图。 

图5为本发明实施例中，“赋形场天线阵”中每个阵元天线的激励脉冲信号x(t)波形图。 

图6为本发明实施例中，“时间反演阵”中某个阵元天线接收到的信号波形图。 

图7为本发明实施例中，图6所示信号波形的时间反演信号图。 

图8为本发明实施例中，69.08ns时刻的空间L形赋形电磁场仿真结果图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案： 

本实施例中采用圆形的“时间反演天线阵”实现一个L形的赋形电磁场。首先，对L状的几何图形进行空间离散化，形成空间点阵；然后，利用组阵的方式，将单元天线逐一放置 在空间离散点上，构建出一个L形天线阵，如图1中所示。图中，L形天线阵为“赋形场天线阵”，其外围的圆形天线阵为“时间反演天线阵”。 

本发明方法在实施例中所采用的单元天线是如图2所示的偶极子天线模型，此偶极子模型由上下总长l＝41.3mm的两个金属圆锥柱结构构成,上下圆锥柱中间间隔为1mm，其间隔部分为馈电端口。每个圆锥结构的大圆半径为4mm,小圆半径为1mm。此偶极子天线的谐振频率为2.45GHz，其回波损耗特性如图3所示。 

在对预期L形赋形场进行空间离散化时，因为所采用的偶极子天线产生的时间反演聚焦半径为半个波长，所以要使赋形场是个完整的赋形场，两个离散点间的距离要小于半个波长，同时，在保证能够很好实现预期L形赋形电磁场的前提下，要考虑离散点不能太多，否则，会增加实施例子的复杂度。因此，应尽量增大离散点间的距离，减少阵列单元天线个数。在本发明实施例中，“赋形场天线阵”的每个阵元间距选取D＝59mm，略小于半个波长。而对于圆形的“时间反演天线阵”，在自由空间的环境下，为了达到更好的赋形效果，需要分布更多的天线，以便完整记录下L形“赋形场天线阵”辐射出的电磁波信号，其阵元间的疏密度越密越好。然而，天线数量过多，不仅会增加系统设计的复杂度，同时也会增加数值仿真难度。因此，在设计时，应选取一个较合适的天线角间距，这样既能实现所需要的L形电磁场赋形，也能在一定程度上简化系统设计的复杂度。在本发明实施例中，“时间反演天线阵”距离坐标中心点的距离R选取为15个半波长，单元天线之间的角间距θ为5度。 

本发明实施案例L形“赋形场天线阵”由10根单元天线组成，其长度比例为6:3，根据上述分析，每相邻单元天线间距为D＝59mm。圆形的“时间反演天线阵”两相邻的阵元角间距为5度，共由72个单元天线组成。基于“赋形场天线阵”和“时间反演天线阵”所构建出赋形场产生系统的电磁模型如图4所示。 

本发明实施例的激励信号采用脉冲信号，具体为1.5-3.5GHz的调制高斯脉冲x(t)，附 图5是调制高斯脉冲激励信号x(t)的具体形式。 

按照上述要求，利用电磁场仿真软件CST Microwave Studio 2009进行电磁建模与仿真。根据所设计参数，首先建立一个L形的“赋形场天线阵”，然后在“赋形场天线阵”外围构建一个圆形的“时间反演天线阵”。 

随后，将带宽为1.5-3.5GHz的高斯调制脉冲作为激励信号，同步馈入到L形的“赋形场天线阵”的每个阵元，让其辐射电磁波信号。 

然后，利用“时间反演天线阵”接收和采集“赋形场天线阵”辐射出来的电磁波信号。“时间反演天线阵”中每个阵元接收到的电磁波信号可用如下数学公式进行表示 

$s_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}x\left(t\right)*g_{\mathrm{ji}}(r_{\mathrm{ji}},t)---\left(1\right)$

式(1)中j表示圆形“时间反演天线阵”中的第j个天线，i表示L形“赋形场天线阵”中的第i个天线，g_ji函数表示j天线和i天线之间的传输函数，r_ji表示j天线和i天线之间的距离，符号*表示卷积运算，t表示时间。 

接着，对所接收和采集到的每个电磁波信号s(t)均作时间反演处理，具体过程如图6、7所示。在时间轴上，将图6中的信号进行翻转或镜像处理，得到相应的时间反演信号s(-t)，如图7所示。从物理角度出发，直接对接收信号s(t)在时域上实现反演，是违反因果关系的。因此，一般是对接收信号进行一定的时间存储，然后再通过先进后出的顺序，实现对接收信号的时间反演。设接收信号的存储时长为T，则实际的时间反演信号可表示为 

s_TRj(t)＝s_j(T-t)             (2) 

最后，移除模型中的L形“赋形场天线阵”，仅留下“时间反演天线阵”，并将所获得时间反演信号同步馈入“时间反演天线阵，通过布置在原有“赋形场天线阵”所在区域内的场监视器，来监测该区域内的电磁场强度大小及其几何形状。本案例场监视器的时间段设置为68纳秒到69.5纳秒，时间间隔为0.01纳秒。通过观察所记录的这段时间内电磁场空间分布情况，从图8中可以看出，在69.08ns这个时刻电磁场的赋形效果很明晰，获得了与预期形 状基本一致的L形赋形空间电磁场。此结果证实了利用时间反演技术实现空间电磁场赋形的可行性，同时也充分验证了本发明方法的可靠性和有效性。 

Claims (5)

1.一种基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法，包括以下步骤：

步骤一：在预期的赋形场所在区域，利用全向性天线，构建一个“赋形场天线阵”作为发射阵列，此阵列的几何部署与预期赋形场的形状保持相同；

步骤二：在赋形场区域外围，利用相同的全向性天线，以“赋形场天线阵”作为中心，距其边缘阵元天线一定的空间距离，构建一个包围或半包围“赋形场天线阵”的“时间反演天线阵”作为接收阵列，用于记录“赋形场天线阵”发射过来的电磁信号；

步骤三：采用相同的激励信号对“赋形场天线阵”所有阵元进行同步激励，产生电磁辐射信号；

步骤四：利用“时间反演天线阵”对“赋形场天线阵”辐射出的电磁波信号进行接收和采集，并记录下各阵元接收到的信号；

步骤五：利用计算机将步骤四接收到的每个信号均做时间反演处理，即在时间轴上做翻转或镜像操作，得到各阵元对应的时间反演信号；

步骤六：移除“赋形场天线阵”，设置场观察器，用来观察在步骤八中时间反演信号产生的空间电磁场分布；

步骤七：将步骤五所得到的时间反演信号，同步馈入到对应的“时间反演天线阵”的每个阵元，作为“时间反演天线阵”的激励信号；

步骤八：将步骤七激励信号辐射出去，即可在“赋形场天线阵”所在空间位置上产生与预期形状一致的赋形电磁场，此赋形场的空间几何图案由步骤五中的场观察器进行探测。

2.如权利要求1所述的一种基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法，所述“时间反演天线阵”及“赋形场天线阵”采用的全向性天线为偶极子天线或平面单极子天线。

3.如权利要求1所述的一种基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法，所述“时间反演天线阵”可以是圆形阵或半圆阵，也可以是方形阵或U型阵。

4.如权利要求1所述的一种基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法，所述步骤三中采用的激励信号为脉冲信号或单频信号。

5.如权利要求1所述的一种基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法，所述“赋形场天线阵”每个阵元天线之间的间距小于半个波长。