[发明专利]基于时间反演电磁波传输的空间电磁场赋形产生方法

说明书

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。