可重构人工超构表面电磁波调控理论及其应用研究

论文摘要

人工超构表面是三维电磁超材料的平面形式,其具有超常的电磁波调节能力。其可以对电磁波的幅度、相位和极化等关键参数进行调控。可重构人工超构表面则是人工超构表面的电调节扩展。通过引入有源器件,使得上述电磁波参数可以动态地调节,从而为人工超构表面的工程应用奠定了基础。近些年来,人工超构表面被广泛应用于特殊电磁现象的产生与研究之中,如轨道角动量涡旋电磁波产生、电磁聚焦表面及超材料成像之中。这些应用证明了超构表面调节电磁波的能力。而具有可重构特性的超构表面则可进一步实现基于涡旋电磁波的无线通信系统;用于无线能量传输的电可调单点、多点聚焦表面;用于时域微波成像的成像系统。对于可重构人工超构表面的研究是目前以及未来的发展趋势,为超材料的集成化、平台化和数字化提供了可能。本文具体的研究内容包括如下几个方面:1.加载集总元件的可重构超构表面单元仿真方法和超表面散射特性研究。本文提出采用多端口级联方式对加载集总元件的可重构单元进行仿真,极大的提高可重构单元的研究和设计效率。该方法覆盖本文全部可重构单元的设计过程。同时,为了加速对可重构超构表面散射问题的分析,本文研究了超构表面的远场辐射和近场分布问题,提出采用平面波角谱方法计算散射场。相对于全波仿真方法,该方法计算速度快且准确,为可重构人工超构表面的设计带来了便捷性。2.基于可重构人工超构表面调控电磁波的机理,对多样轨道角动量涡旋波发生器的研究。本文分别采用连续和离散两种方式实现了多样涡旋电磁波发生器。首先,为了模拟常规超构表面单元相移可连续调节的特点,本文提出使用加载变容二极管的可重构单元实现轨道角动量涡旋波发生器。设计了一款16×16工作于5.0 GHz的可重构超构表面,实验测量到了四束不同传输方向,不同模态的涡旋电磁波。再者,为了简化电调涡旋波发生器的设计,本文又提出采用1-bit可重构超构表面产生涡旋波。并对1-bit产生涡旋波的补偿相位计算方法给出了计算过程。设计了一款12×12的1-bit数字化表面,实验测量到了不同模态的涡旋电磁波。这两种方案为基于涡旋波的新体制通信系统奠定了理论和平台基础。3.用于无线能量传输的数字化电磁聚焦表面研究。基于可重构超构表面的无线能量传输是一种可根据外部动态需求灵活传输无线能量的新手段。相对于常规耦合式的无线能量传输具有更远的传输距离和更大的灵活性。从可实现性和传输效率两个方面的分析确定2-bit为数字化电磁聚焦表面的首选。本文提出了一种U形两臂非对称开缝单元,使用两个PIN二极管实现了90°、180°和270°相位差。基于此单元实现了一款12×12的2-bit电磁聚焦表面。实验得到了近场能量聚焦效果,并通过天线传输仿真验证了能量的灵活搬移。该实验丰富了数字化超构表面的应用范畴,使其具有了商用的可能性。4.基于1-bit可重构人工超构表面的时域成像表面研究。超材料微波成像是一个新颖的研究方向,利用超材料灵活裁剪电磁波的特性可实现微波计算成像。为了降低现有超材料成像系统对频带的要求,本文提出使用反射型1-bit可重构人工超构表面在时域产生多样杂散波束实现成像。本文设计了一款工作在35 GHz的1-bit可重构单元,并基于此单元设计了一款20×20超构表面。实验得到60组杂散波束用于图像重构,得到了理想的结果。该实验为后续高速数字电路控制的1-bit超构表面成像系统打下了坚实的基础。5.1-Bit可重构人工超构表面带宽展宽和新型可重构极化转换器研究。由于1-bit可重构人工超构表面的工作带宽较窄,故对此问题的研究可以极大提高1-bit可重构超构表面在实际中的应用。本文提出了一种中心频率的设计方法,通过实验得到其-1dB增益相对带宽为8.4%,优于现有设计方法。现有的具有可重构特性的极化转换器仅能实现对特定极化波的转换。对此本文提出将变容二极管引入方形切角单元中,实现了在不改变入射波极化的条件下,通过电调节产生多种极化电磁波。对于这些问题的研究将可重构超构表面的实际工程应用向前推进了一步。

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 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究概况
•     1.2.1 可重构人工超构表面
•     1.2.2 轨道角动量涡旋电磁波
•     1.2.3 近场电磁波聚焦技术
•     1.2.4 超材料成像技术
•   1.3 论文的主要研究工作及内容安排
•     1.3.1 论文的主要研究工作
•     1.3.2 论文的内容安排
• 第二章 可重构人工超构表面单元及阵列分析方法
•   2.1 引言
•   2.2 加载有源元件的可重构单元仿真方法
•     2.2.1 基于等效电路的仿真方法
•     2.2.2 基于多端口网络的仿真方法
•   2.3 可重构人工超构表面散射场分析方法
•     2.3.1 平面波角谱基本理论
•     2.3.2 基于平面波角谱的超构表面远场方向图分析
•     2.3.3 基于平面波角谱的超构表面菲涅尔区场分布分析
•   2.4 小结
• 第三章 基于可重构人工超构表面的涡旋电磁波发生器
•   3.1 引言
•   3.2 基于人工超构表面的轨道角动量涡旋波产生方法
•   3.3 基于可重构人工超构表面的多样轨道角动量发生器
•     3.3.1 系统原理
•     3.3.2 加载变容管人工超构表面单元设计
•     3.3.3 标准波导验证
•     3.3.4 多样涡旋波设计与产生
•     3.3.5 16×16表面与控制电路设计
•     3.3.6 实验与分析
•   3.4 基于反射型编码超表面的1-bit数字轨道角动量涡旋波发生器
•     3.4.1 产生原理
•     3.4.2 1-Bit数字涡旋波发生器理论验证
•     3.4.3 1-Bit数字涡旋波发生器设计与实验
•   3.5 小结
• 第四章 反射型2-bit可重构人工超构表面电磁波聚焦技术
•   4.1 引言
•   4.2 人工超构表面近场聚焦特性研究
•     4.2.1 补偿相位计算方法
•     4.2.2 人工超构表面近场聚焦性质
•     4.2.3 焦点偏移现象
•   4.3 数字化人工超构聚焦表面最优化选择
•     4.3.1 比特式人工超构表面聚焦特性比较
•     4.3.2 馈源位置对数字化人工超构表面聚焦特性的影响
•   4.4 用于无线能量传输的可重构 2-bit电磁聚焦表面设计
•     4.4.1 U形2-bit单元设计
•     4.4.2 标准波导验证
•     4.4.3 12×12表面设计
•     4.4.4 实验与分析
•     4.4.5 无线能量传输仿真
•   4.5 小结
• 第五章 反射型1-bit可重构人工超构表面时域成像技术
•   5.1 引言
•   5.2 基于可重构人工超构表面的时域成像技术
•     5.2.1 广义逆成像原理
•     5.2.2 相关性系数计算
•   5.3 Ka波段1-bit可重构时域成像表面
•     5.3.1 反射型1-Bit可重构单元设计
•     5.3.2 1-bit可重构超构表面高增益波束形成方法
•     5.3.3 1-bit可重构超构表面特殊波束形成方法
•     5.3.4 20×20样机设计与实验
•     5.3.5 成像效果
•   5.4 小结
• 第六章 1-Bit可重构人工超构表面宽带设计方法与新型可重构极化转换器
•   6.1 引言
•   6.2 1-Bit可重构人工超构表面宽带设计方法
•     6.2.1 宽带1-bit可重构单元设计
•     6.2.2 12×121-bit可重构超构表面设计与实验
•   6.3 新型可重构极化转换器
•     6.3.1 可重构极化转换单元及原理
•     6.3.2 可重构极化转换器设计与实验
•   6.4 小结
• 第七章 总结和展望
•   7.1 研究总结
•   7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 韩家奇

导师: 李龙

关键词: 可重构人工超构表面,轨道角动量涡旋电磁波,近场聚焦,超材料微波成像,天线

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: O441.4

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.000049

总页数: 130

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