高分辨聚焦超表面的特性研究

发布时间：2020-09-01 07:03

　　电磁波的应用影响着我们生活的各个方面,不论是在航空航天、电子通信还是在海洋科学等许多学科中都发挥着不可替代的作用。超表面由亚波长尺寸的离散单元结构组成,通过其单元结构提供的离散相位突变,可以实现对电磁波振幅、相位及极化方式的灵活调控。由于超表面阵列的每个单元都是亚波长量级的,因此可以实现高分辨率波前调制,结合超表面所拥有的体积小,重量轻,灵活性高等优点,超表面可以替代传统毫米波成像系统中的聚焦透镜实现波束聚焦的功能。因此研究高分辨聚焦超表面具有非常重要的意义。本文主要研究了基于不同设计方法的超表面在预设不同聚焦场的情况下的聚焦性能。首先根据准光路定理,采用共口径圆环的单元结构实现了基于圆极化平面波入射下的高分辨聚焦超表面,并研究了相位离散化阶数对于超表面聚焦性能的影响。之后通过补偿实际馈源天线辐射相位的方式,完成由实际圆极化喇叭天线照射下的高分辨聚焦超表面的设计。仿真结果显示本课题所设计的极化不敏感高分辨聚焦超表面在33-37 GHz频带范围内实现了波束聚焦的功能,-3 dB焦斑直径约为6 mm,可应用在毫米波成像系统中实现系统的小型化、集成化及高分辨成像。由于准光路定理设计的超表面只能实现超表面的单焦点聚焦,因此本课题通过全息的计算方法完成了对可实现较复杂聚焦场的高分辨聚焦超表面的设计。采用创新型的幅相调控单元结构,基于GSW算法和标量衍射理论这两种全息方法分别实现了纯相位超表面和复振幅超表面的单焦点聚焦、相同强度的双焦点聚焦及不同强度的多焦点聚焦等功能。同时,本课题采用主瓣能量压缩的高分辨方法实现了聚焦超表面分辨率的大幅提升,仿真结果显示纯相位超表面和复振幅超表面的-3 dB焦斑直径分别约为3.2 mm和2.9 mm。这可以为毫米波频段的超分辨成像提供理论基础及设计思路。最后本课题通过设计纯相位超表面全息图和复振幅超表面全息图,验证了两种全息算法实现超表面全息成像的功能。为了节约成本和测试的易实施,设计并制备了一款工作在10 GHz的可实现全息成像的复振幅超表面,测试结果显示该超表面成像效果良好。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O441.4
【部分图文】：

相位分布,相位板,波束,阵列

a) 波束偏转阵列 b) 相位分布及涡旋波束图 1-1 波束偏转阵列及螺旋相位板相位分布及产生的涡旋波束[5]2012 年，Capasso 教授等[21]设计了可工作在近红外波段的超表面聚焦，如图 1-2 a)所示为该超表面的结构和相位分布。该超表面透镜同样采用结构天线按照所需要的相位分布排列而成，分别设计并制备了可实现聚焦的平面透镜和可以产生无衍射贝塞尔波束的平面轴棱锥。该结果表明超表束相位不连续的概念可以应用于平面透镜和平面棱锥的设计，并可以实现

示意图,聚焦场,示意图,相位分布

邻区域的相位差为 π/4，实现了具有螺旋分布等相位面的涡旋波束。a) 波束偏转阵列 b) 相位分布及涡旋波束图 1-1 波束偏转阵列及螺旋相位板相位分布及产生的涡旋波束[5]2012 年，Capasso 教授等[21]设计了可工作在近红外波段的超表面聚焦透镜，如图 1-2 a)所示为该超表面的结构和相位分布。该超表面透镜同样采用 V型结构天线按照所需要的相位分布排列而成，分别设计并制备了可实现聚焦功能的平面透镜和可以产生无衍射贝塞尔波束的平面轴棱锥。该结果表明超表面波束相位不连续的概念可以应用于平面透镜和平面棱锥的设计，并可以实现波束的聚焦功能。

全息图,复振幅,单元结构,成像

a) 透镜结构 b) 实验和模拟的聚焦场分布图 1-3 互补 V 型结构组成的平面透镜结构及聚焦场分布示意图[22]同年，该课题组用相同的巴比涅互补 V 型等离子体纳米天线实现了超薄超表面全息图[13],该超表面全息图厚度仅为波长的二十三分之一。可以在可见波长范围内提供振幅和相位的调制，从而生成高分辨率、低噪声的图像。该实验结果证明了利用纳米结构等离子体超表面调制振幅和相位来制作复杂全息图的可行性。

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