基于阵列结构产生电磁飞环的基础理论与关键技术研究

The flying electromagnetic toroids (FETs) are a kind of novel free-space electromagnetic pulses, which have important application prospects on railless acceleration, novel multipole excitation, localized energy and information transmission, high-sensitivity detection, and so on. In order to lead the research of FETs from theory to experiment and practical application, we try to remove the technical obstacles about generating FETs and build the experimental FETs generation system in this project. For this purpose, the possible solutions for generating FETs are theoretically analyzed and the theoretical and technical problems regarding FETs generation are solved on the basis of existing techniques: (1) The effects of aperture truncation and discrete excitation on the propagation of FETs are researched based on the self-healing effect of non-diffracting electromagnetic pulses, which lays the theoretical foundation for generating FETs with array structures; (2) The directly radiating FETs method using rotationally symmetric antenna arrays is researched based on the impedance robustness of tightly coupled arrays and the field restitution property of time-reversed electromagnetic waves; (3) The transformation method from planar waves to FETs using metasurfaces is researched based on spatial filtering structures and polarization transformation structures. In this project, the theoretical basis, system structure, implementation method, and experimental prototype are provided for FETs generators by theoretical analysis, electromagnetic simulation, and experimental research.

电磁飞环是一种新型自由空间电磁脉冲，其在无轨道加速、新型多极子激励、定域能量和信息传输、高敏感度检测等方面具有重要的应用前景。为了将电磁飞环的研究从理论引向实验和实际应用，本项目力求消除产生电磁飞环的技术障碍，并构建能够在实验中产生电磁飞环的系统。为此，本项目从原理上分析了产生电磁飞环的可能方案，并在现有技术的基础之上，解决产生电磁飞环所面临的理论和技术难题：(1)基于非衍射电磁脉冲的自修复特性，研究口径截断和离散激励对电磁飞环传播的影响，为使用阵列结构产生电磁飞环奠定理论基础；(2)基于紧耦合阵列的阻抗鲁棒性和时间反演电磁波的场恢复特性，研究使用旋转对称天线阵直接辐射电磁飞环的方法；(3)基于空间滤波结构和极化转换结构，研究使用电磁超表面阵列将平面波转化为电磁飞环的方法。该项目通过理论分析、电磁仿真和实验研究，为电磁飞环生成系统提供理论依据、系统架构、实现方法和实验样机。

电磁飞环是一种新型自由空间电磁脉冲，其在无轨道加速、新型多极子激励、定域能量和信息传输、高敏感度检测等方面具有重要的应用前景。为了将电磁飞环的研究从理论引向实验和实际应用，本项目研究了基于阵列结构产生电磁飞环的基础理论与关键技术。首先，研究了有限口径离散化电磁飞环场的传播规律和自修复特性，明晰了离散采样对电磁飞环传播特性的影响，揭示了电磁飞环自修复性能与口径截断的关系。然后，研究了使用旋转对称天线阵辐射电磁飞环脉冲的方法，基于两类天线阵列产生了电磁飞环。最后，研究了将平面波转化为电磁飞环脉冲的方法并实现了平面波-电磁飞环转换超表面。该项目通过理论分析、电磁仿真和实验研究，为电磁飞环生成系统提供了理论依据、系统架构、实现方法和实验样机。. 项目执行期间，已发表SCI检索论文16篇；申请发明专利13项（其中，已授权4项）；培养博士生2名、硕士生6名。. 本项目研究成果具有显著的社会效益及潜在的经济效益，所提出的电磁飞环产生方法和实现装置有望将电磁飞环的研究从理论引向实用。. 综上所述，本项目组已圆满地完成了《资助项目计划书》的研究计划，取得了《资助项目计划书》的预期成果，达到了《资助项目计划书》的预期研究目标。