可重构人工电磁超材料的设计及研究

发布时间：2020-08-03 18:41

【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。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;O441.4

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘若鹏;季春霖;赵治亚;周添;;超材料:重新塑造与重新思考[J];Engineering;2015年02期

2 ;超材料研究前沿动态[J];国际学术动态;2012年01期

3 周济;李龙土;;超材料技术及其应用展望[J];中国工程科学;2018年06期

4 梁庆宣;杨贞;何锦;江子杰;陈天宁;李涤尘;;超材料结构增材制造技术及其应用研究进展[J];航空制造技术;2019年Z1期

5 黄安畏;吴永鹏;李忠盛;孙彩云;董玲抒;舒露;吴道勋;花泽荟;罗明波;;局域共振声学超材料技术进展及应用展望[J];装备环境工程;2019年08期

6 文永正;;多学科交叉前沿开辟材料学发展新方向——超材料分论坛侧记[J];中国材料进展;2019年10期

7 陈香香;王建锋;;精密排种器性能监测装置研究——基于超材料光电传感器[J];农机化研究;2018年01期

8 吴宗汉;徐世和;;声学超材料与结构工程应用前景展望[J];电声技术;2017年Z3期

9 张文毓;;超材料的研究进展与应用[J];装备机械;2018年02期

10 黄治涵;;基于超材料的单频层状吸波体仿真[J];电子世界;2018年14期

相关会议论文 前10条

1 张晗;杨军;;单模宽带的五模式超材料的仿真设计[A];2018年全国声学大会论文集A.物理声学（含声超构材料）[C];2018年

2 陈轩;富明慧;胡玲玲;;正交拼接三维力学超材料的等效方法[A];2018年全国固体力学学术会议摘要集（上）[C];2018年

3 田小永;尹丽仙;李涤尘;曹毅;;超材料结构飞行器隐形设计及3D打印制造工艺探索[A];第一届新型功能结构技术学术会议暨增材制造产业创新技术论坛论文集[C];2016年

4 陈巍;高军;曹祥玉;杨欢欢;周禹龙;韩彤;;一种极化相关的透射型超材料[A];2017年全国微波毫米波会议论文集（中册）[C];2017年

5 陈坤;周运强;王志刚;;基于矩形波导的超材料结构吸波机理研究[A];2017年全国微波毫米波会议论文集(上册二)[C];2017年

6 程强;赵捷;张t$;崔铁军;;超材料在微波及太赫兹频段的应用[A];2017年全国微波毫米波会议论文集（下册）[C];2017年

7 胡更开;;电磁/声波超材料及对波传播控制的理论与实验研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

8 刘亚锋;周萧明;胡更开;;弯曲波在薄板超材料中的传播特性研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年

9 周萧明;胡更开;;声波超材料超分辨成像的理论与实验研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

10 王俊俏;陈述;范春珍;梁二军;;基于等离激元超材料的表面增强基底设计和热点调控[A];第二十届全国光散射学术会议（CNCLS 20）论文摘要集[C];2019年

相关重要报纸文章 前10条

1 记者 张梦然;多向晶格+3D打印：全新人造超材料轻便又坚固[N];科技日报;2019年

2 许sシ

本文编号：2780040