基于色散工程的超表面极化调控设计及应用研究

论文摘要

电磁波极化调控在信息通信、目标识别、极化成像和生物医学等多种领域都有着重要的应用意义。传统的极化调控器件主要利用具有双折射特性的材料制作而成,存在着可用材料有限、体积大、损耗大等局限性。超表面是一种新型亚波长人工电磁器件,通过改变超表面的亚波长单元结构,可以对从其中通过的电磁波进行灵活调控,进而改变电磁波的传播方向、相位、极化方式或传播模式等。此外,超表面功能器件还具有小型轻薄、高集成度等优势。超表面的出现为高效便捷、多功能地进行极化调控提供了新途径。针对目前微波波段极化调控中存在的宽带动态调控不足等问题,本文基于色散工程,开展了对极化调控超表面功能器件的研究。主要研究内容及创新点包括:1.基于法诺（FANO）共振模式,设计了一种基于双层椭圆形金属贴片结构的弱手性超表面。超表面结构的弱手性能够产生超强旋光性,其厚度仅约为十分之一波长,在谐振频点处可将入射的线极化电磁波调制为交叉极化极化电磁波,交叉极化透过率超过94%。2.通过在各向同性人工结构材料中引入电控元件PIN二极管来构造各向异性极化调控人工结构,提出了一种宽带、动态极化调控各向异性超表面理论模型;基于漫色散调控理论,利用传输矩阵法和等效电路模型等方法分析验证了宽带范围内动态极化调控超表面方案设计的可行性。在此基础上,设计出一种可用于宽带动态极化调控的反射式超表面,并完成实验验证。在3.4GHz到8.8GHz的频率范围内,所设计的超表面可以将线极化入射波转换成右旋圆极化或者左旋圆极化反射电磁波,也可保持线极化入射波原有的极化状态。3.将各向异性极化调控超表面与传统基于频率选择表面的360°电控波束扫描天线相结合,设计出一种能将线极化转换成圆极化的波束扫描天线。工作频率为4.5GHz,在4.45GHz-4.55频率范围内,回波损耗小于-10dB,天线轴比小于3dB。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 概念解释
•     1.2.1 超表面
•     1.2.2 色散工程
•   1.3 国内外本学科领域的发展现状与趋势
•   1.4 研究目标和技术路线
•   1.5 论文结构
• 第2章 极化调控超表面的理论基础
•   2.1 引言
•   2.2 各向异性超表面的理论基础与分析方法
•     2.2.1 方法概述
•     2.2.2 色散调控数理模型
•     2.2.3 参数反演算法
•     2.2.4 等效电路理论
•     2.2.5 传输矩阵法
•   2.3 手性超表面
•     2.3.1 方法概述
•     2.3.2 手性超表面参数反演
•   2.4 数值计算方法
• 第3章 极化调控手性超表面的设计
•   3.1 引言
•   3.2 FANO共振色散模式
•   3.3 极化调控手性超表面的设计
•   3.4 极化调控手性超表面的色散分析
•   3.5 本章总结
• 第4章 宽带极化动态调控超表面设计
•   4.1 引言
•   4.2 宽带极化动态调控超表面设计的色散控制理论分析
•     4.2.1 宽带极化动态调控超表面原理模型
•     4.2.2 理想极化调控超表面阻抗分析
•     4.2.3 圆极化电磁波的轴比计算方法分析
•     4.2.4 对极化动态调控超表面的等效电路分析
•   4.3 正交方向混合馈电的反射式宽带极化调控超表面设计
•   4.4 正交方向独立馈电的反射式宽带极化调控超表面设计
•     4.4.1 考虑馈电的反射式宽度极化调控超表面结构设计
•     4.4.2 极化调控超表面的等效阻抗分析
•     4.4.3 斜入射情况下的极化调控超表面分析
•     4.4.4 极化调控超表面中PIN二极管电磁参数差异影响分析
•   4.5 正交方向独立馈电的反射式宽带极化调控超表面制备和测试
•   4.6 本章小结
• 第5章 基于极化调控超表面的电扫描天线
•   5.1 引言
•   5.2 各向异性极化调控开关超表面
•   5.3 基于超表面的圆极化波束扫描天线设计
•     5.3.1 电控波束扫描圆极化天线模型初步设计
•     5.3.2 超表面结构参数对天线性能的影响分析
•     5.3.3 电控波束扫描圆极化天线模型优化结果
•   5.4 本章总结
• 第6章 全文总结和展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 崔建华

导师: 蒲明博

关键词: 超表面,色散工程,极化调控

来源: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

分类号: O441;TN820

总页数: 110

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