基于各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控研究.pdf

1、新型人工電磁材料(Metamaterials)是一種由人工設(shè)計的遠小于電波長的單元結(jié)構(gòu)進行周期或非周期性排列構(gòu)成的復(fù)合材料，它通過調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸可以獲得自然媒質(zhì)所不具備的奇異電磁特性，從而實現(xiàn)對電磁波的靈活調(diào)控。人工電磁超表面(Metasurface)是近幾年新型人工電磁材料研究的最新發(fā)展方向和研究熱點之一，它是一種超薄的二維陣列平面，通過把亞波長尺寸的新型人工電磁材料有規(guī)律的排布成平面陣設(shè)計而成，可分為反射式和透射式兩種基本

2、類型，在微波頻段，相比于透射式人工電磁超表面，反射式人工電磁超表面效率很高，幾乎達到100％，因此，在本文中我們選擇反射式人工電磁超表面進行研究。在人工電磁超表面單元結(jié)構(gòu)的選取上，本論文選取了一種十字交叉的“工”字型結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)水平和垂直兩個正交方向上“工”字型的尺寸可以實現(xiàn)對水平極化波和垂直極化波的分別獨立調(diào)控。本論文將傳統(tǒng)的多波束平面反射陣天線的設(shè)計理念與各向異性超表面有機結(jié)合，實現(xiàn)對水平和垂直極化多個波束輻射方向和相位的分別獨立

3、調(diào)控，并且可以將兩個正交極化方向上的輻射波調(diào)控到同一個輻射方向，并通過其不同相位差的設(shè)計，分別獨立調(diào)控每個波束的極化狀態(tài)，實現(xiàn)對多個波束極化狀態(tài)的調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，本論文設(shè)計實現(xiàn)了工作于Ku波段的三款具有不同功能的各向異性電磁超表面，并進行了實驗驗證，實驗結(jié)果、仿真結(jié)果與理論設(shè)計吻合的良好，驗證了該各向異性超表面對多個波束極化方式的獨立調(diào)控能力。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　(1)研究了基于各向異性電磁超表面多波束輻射

4、與極化調(diào)控的基本原理和設(shè)計方法。各向異性電磁超表面可以對水平極化和垂直極化電磁波的相位進行獨立調(diào)控，結(jié)合多波束的設(shè)計方法可以實現(xiàn)對這兩個正交極化方向上多波束的波數(shù)和輻射方向的分別獨立調(diào)控，在此基礎(chǔ)上將水平極化和垂直極化輻射波束調(diào)控到同一個輻射方向上，通過控制兩個正交極化方向上的相位差，可實現(xiàn)對每個波束極化狀態(tài)的單獨調(diào)控。
　　(2)研究并分析了各向異性電磁超表面基本單元結(jié)構(gòu)的電磁特性，介紹了具有相等E面和H面方向圖的波導(dǎo)探頭饋源。

5、本論文選取一種十字交叉“工”字型結(jié)構(gòu)作為各向異性電磁超表面的基本單元，通過控制水平和垂直方向“工”字型結(jié)構(gòu)的尺寸實現(xiàn)對水平極化和垂直極化電磁波輻射相位的分別獨立調(diào)控。另外，本文選取了一款具有相等E面和H面輻射方向圖的同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為饋源，具有體積小、剖面低、方向圖圓對稱好、相位中心穩(wěn)定、增益穩(wěn)定的優(yōu)勢。
　　(3)設(shè)計了三款具有不同極化調(diào)控功能的各向異性電磁超表面，并進行了相應(yīng)的實驗驗證。本論文研究并設(shè)計了一款二波束極化調(diào)控各向異