新型超材料天线的电磁理论及实现方法研究

论文摘要

随着无线通信系统向高速率、宽频带、可软件定义方向发展,通信系统中的射频前端、天线面临着多功能、小型化、可重构方面的巨大挑战。新型超材料天线的电磁理论及实现方法研究,为解决上述瓶颈问题提供了重要的理论基础及技术手段。本文从三个方面对超材料天线进行了系统深入的研究:首先,研究了基于变换光学的同时任意路涡旋波束产生器。但是由于这种三维的超材料具有较强的各向异性,并且损耗较大,因此开始了对二维超材料(石墨烯超表面)的研究。然而提出的石墨烯超表面虽然能够自由调控波束的动量,但是它的可重构性较差。出于对可重构性的考虑,本文最后又对基于极化粒子方法的可重构全息超表面进行了深入研究。本文的主要创新点如下:(1)基于变换光学原理,提出了一种可同时获得任意路、不同拓扑模态涡旋波束的产生器,并且每路涡旋波束的拓扑模态、传播方向以及所分配的功率均可被调节。(2)提出了能够对太赫兹波束的自旋角动量和轨道角动量任意调控的石墨烯超表面。这种超表面不仅能实现360°全范围的相位覆盖,而且还能够同时调控两种动量。(3)结合极化粒子的原理和全息超表面结构,提出了一种可重构的全息超表面天线。基于这种可重构超表面天线结构,分别实现了圆极化波束扫描、近场聚焦和无衍射波束传输三种功能。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 超材料的诞生期
•   1.3 超材料的发展期
•   1.4 超材料的应用期
•   1.5 超表面天线的发展与研究现状
•   1.6 论文主要内容及章节安排
• 第二章 超材料天线的相关电磁理论和计算方法
•   2.1 引言
•   2.2 等效电磁媒质理论与变换光学原理
•     2.2.1 等效电磁媒质理论
•     2.2.2 变换光学中的形式不变性原理
•     2.2.3 变换光学中的坐标变换原理
•   2.3 广义斯涅尔定律
•   2.4 全息阻抗调制原理
•     2.4.1 全息阻抗调制表面天线的发展
•     2.4.2 全息阻抗调制原理
•     2.4.3 全息阻抗调制表面天线的设计流程
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于变换光学的同时任意路涡旋波束产生器
•   3.1 引言
•   3.2 涡旋波束简介
•     3.2.1 涡旋波束的概念及其基本特性
•     3.2.2 涡旋波束的发展与研究现状
•   3.3 1分N路波束分裂器
•   3.4 涡旋相位变换器
•   3.5 同时任意路涡旋波束产生器
•     3.5.1 二维四路OAM产生器（2D FWOG）
•     3.5.2 三维多路OAM产生器（3D MWOG）
•   3.6 本章小结
• 第四章 可实现波束角动量任意控制的多功能石墨烯超表面
•   4.1 引言
•   4.2 石墨烯简介
•     4.2.1 石墨烯的基本分子结构及其基本物理特性
•     4.2.2 石墨烯的电磁响应特性
•   4.3 石墨烯单元结构及其电磁响应
•     4.3.1 Pancharatnam-Berry （PB）相位原理
•   4.4 设计策略
•   4.5 控制反射波的自旋角动量（SAM）
•   4.6 控制反射波的涡旋角动量（OAM）
•   4.7 同时控制SAM和OAM两种动量
•   4.8 本章小结
• 第五章 基于极化粒子方法的可重构全息超表面天线
•   5.1 引言
•   5.2 基于极化粒子方法全息超表面的原理
•   5.3 单元结构及其电磁特性
•   5.4 实现圆极化波束扫描
•     5.4.1 圆极化超表面天线的发展
•     5.4.2 产生圆极化波束的原理
•   5.5 实现近场聚焦功能
•     5.5.1 轴上聚焦
•     5.5.2 轴外聚焦
•   5.6 实现无衍射传输
•   5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 论文研究工作总结
•   6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张晨

导师: 李书芳

关键词: 超材料天线,轨道角动量,自旋角动量,石墨烯超表面,可重构全息超表面天线

来源: 北京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 北京邮电大学

分类号: TN826;O441

总页数: 134

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