可重构人工电磁超材料的设计及研究

论文摘要

可重构人工电磁超材料和超表面是通过加载有源器件使得外部控制电路和超材料及超表面结合起来。能够在固定物理结构尺寸不变的情况下,通过改变控制电路输出的电信号就可以实现超材料的特性变化或者超表面的波束扫描等功能。这种方法为调控电磁波提供了新的思路,在通信领域有着十分广泛的应用前景。本文围绕超材料和由超材料衍生出的超表面,结合可重构技术,研究了可重构超材料和超表面的分析方法和设计及应用,本文的主要内容及工作如下:1.首先介绍了本文的研究背景及意义,说明了超材料和超表面的概念以及发展历史,并对可重构技术做出了阐述,对目前能够应用于实际的各种可重构超材料和超表面做出了重点的论述,这些为本文的设计提供了一些启发和思路。2.主要讲述了超材料的理论模型和等效媒质参数提取算法以及超表面的工作原理和相位补偿方式的计算,并对数字量化相位的分析方法做出了说明。最后介绍了超表面单元的分析方法。这些内容为之后的可重构超材料和可重构透射电磁超表面的设计奠定了理论基础。3.根据超材料的理论模型对两种基础模型进行了深入的研究,之后基于可重构技术在两种基础模型上加载变容二极管设计了一款具有频率可重构特性的双负材料单元。通过控制其上的变容二极管两端的电压变化就可以调节整个回路的谐振频率。之后设计了波导实验并加工超材料进行了验证,实测结果与仿真结果吻合良好,说明了设计的正确性。最后对基础的磁谐振模型进行了改进设计,通过加入谐振频率相近的回路可以起到提高带宽的作用,并利用改进后的单元设计了一款四象限通用型的超材料单元,可以实现双正特性、磁单负特性、电单负特性以及双负特性之间的转换。4.根据前面提到的两种相位补偿方式,首先对连续相位和数字量化相位对于设计超表面时带来的增益影响作出了比较。之后基于理论上增益较高的连续相位补偿方式设计了一款可重构透射电磁超表面。在单元的设计方面,基于RX-TX型单元的原理通过加载变容二极管控制其相位变化,是一种较为简单的设计思路。根据优化后的透射单元设计了一款工作于C波段的14×14规模大小的可重构透射电磁超表面,仿真得到的结果验证了设计的超表面具有高增益的特性以及波束扫描的功能,扫描角度达到±50°。5.基于连续相位的可重构电磁超表面虽然在理论上增益较高,但是在实际中变容二极管的插入损耗比较大,且一个单元上要加载四个变容二极管,成本较高损耗也较大。在前面研究的基础上,通过加载损耗更低的PIN二极管,基于数字量化相位的补偿理论,提出了一款1-bit数字可重构电磁超表面。首先,利用PIN二极管的通断特性设计了一款工作于5GHz的1-bit数字可重构透射单元,通过控制PIN二极管的通断可以实现180°的相位差,满足数字量化相位的要求。之后根据透射单元设计了12×12共144个单元的可重构透射电磁超表面。设计并加工了数字电路控制板,能够同时控制超表面上的所有PIN二极管。仿真结果证明了该超表面的主波束可以实现自适应扫描,扫描角度达到±50°,具有高增益的特性且带宽满足应用的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 超材料
•     1.2.2 超表面
•     1.2.3 可重构技术与透射电磁超表面
•   1.3 论文的主要研究工作及内容安排
• 第二章 超材料及电磁超表面相关理论分析
•   2.1 引言
•   2.2 超材料相关基本原理
•     2.2.1 超材料的色散模型
•     2.2.2 S参数反演算法
•   2.3 透射型电磁超表面基本原理
•     2.3.1 基本工作原理
•     2.3.2 透射电磁超表面单元结构分类
•     2.3.3 透射电磁超表面的单元分析方法
•   2.4 小结
• 第三章 四象限可重构人工超材料的设计
•   3.1 引言
•   3.2 人工超材料基本单元研究
•     3.2.1 分裂谐振环模型研究
•     3.2.2 分裂谐振环的频率可重构研究
•     3.2.3 电耦合谐振器模型研究
•     3.2.4 电耦合谐振器的频率可重构研究
•     3.2.5 双负材料的频率可重构
•   3.3 实验加工及样品测试
•   3.4 改进型可重构磁谐振单元设计
•   3.5 四象限可重构单元设计
•   3.6 小结
• 第四章 基于连续相位的可重构透射电磁超表面设计
•   4.1 引言
•   4.2 两种相位补偿方式的比较
•   4.3 基于连续相位的可重构透射单元设计
•     4.3.1 移相器的设计
•     4.3.2 TX单元的设计
•     4.3.3 RX单元的设计
•     4.3.4 可重构透射单元的整体分析
•   4.4 可重构透射电磁超表面的综合仿真
•   4.5 小结
• 第五章 1-bit数字可重构透射电磁超表面设计
•   5.1 引言
•   5.2 1-bit数字可重构透射电磁超表面设计
•     5.2.1 单元的设计
•     5.2.2 偏置线的设计
•   5.3 电路控制板的设计
•   5.4 1-bit数字可重构电磁超表面仿真及加工
•   5.5 实验测试与结果分析
•   5.6 小结
• 第六章 总结和展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 乔畅

导师: 李龙

关键词: 可重构技术,超材料,电磁超表面,波束扫描

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: TB34;O441.4

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001247

总页数: 97

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