电磁超表面在波束调控中的应用

发布时间：2020-10-13 15:21

　　 电磁超材料是一种由周期或非周期排布的亚波长单元组成,具有超常电磁特性的人工结构。超材料的出现使人们可以按照意愿控制电磁波的传播路径。电磁超表面是二维形式的超材料,通过调节波前相位和幅度实现对波束的调控,它有效地克服了超材料体积庞大、设计复杂、损耗高和频带窄的缺陷,越来越多地受到研究者的关注。本文主要研究了电磁超表面在波束调控中的应用,主要内容和创新点如下:首先,利用超表面透镜实现对口径场幅度的调控。针对传统矩形喇叭天线E面副瓣过高的问题,我们提出了两种超表面透镜。通过在喇叭内部加载超表透镜的方式将口径面电场幅度由均匀分布调制成余弦分布,在不增加天线外部体积的情况下实现了对副瓣的抑制,设计出低副瓣矩形喇叭天线。仿真和实验结果表明:E面副瓣电平得到有效的抑制,在中心频率12 GHz处,副瓣电平低于-45dB。然后,利用超表面结构实现对极化的调控。针对平面反射阵天线存在馈源遮挡和剖面较高的问题,我们提出一种折叠反射阵天线。它由线极化馈源、主反射面(反射阵)和副反射面(极化栅)组成,其中,构成主反射面的极化旋转超表面能够同时实现90°极化旋转和相位补偿。由于光路在阵列内部发生多次折合反射,因此天线的整体剖面很低;对馈源和阵面一体化设计,解决了传统反射阵存在的馈源遮挡的问题。实验结果表明:3 dB增益带宽为27.7-31 GHz,峰值增益为27.3 dB,具有宽带和高增益的特性。最后将有源器件和超表面集成,实现了对电磁波的实时动态调控。针对传统相控阵天线馈电网络复杂、造价高昂等问题,提出一种一比特电调可重构超表面单元,通过控制PIN二极管的通断实现180°的反射相位差,并且两种工作状态的反射损耗均在1 dB以内。随后我们设计了基于FPGA的直流控制电路和14×14电调可重构反射阵,仿真和实测结果较为一致,构造出的电控波束扫描天线能够在XOZ面实现-30°到+60°,在YOZ面实现-60°到+60°的连续电控扫描,峰值增益为19.2 dB,最大口径效率为25.33%。
【学位单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN820
【部分图文】：

线通信设备中用来发射和接收电磁波的部件被称为天线，天线是一种变换器，它能把传输线上导行波转换为空间中传播的电磁波[1]。无论是雷达等军用设备，还是手机、平板电脑这些民用设备，都利用天线进行工作，依靠电磁波来传递信息。天线的功能[2]首先是能量转换，即实现导行波和空间波的相互转换；第二个功能是辐射和接收指定的极化波，即天线能根据具体应用场合形成所需的极化；第三个功能是对能量作空间分配，即天线具有方向性，可形成特定指向的波束。一般情况下，传统的天线一旦设计完成，其辐射性能也被固定，这往往无法满足当今复杂的通信需求。为了聚焦天线波束，从而获取高增益特性，抛物面天线[3 4]和介质透镜天线[5 6]被提出，图 1.1 和图 1.2 分别为目前常见的抛物面天线和透镜天线。二者都是利用了波束聚焦原理，将辐射球面波的馈源天线放置在焦点，然后分别利用反射式和透射式聚焦系统来形成同相口径。但是，抛物面天线存在着体积庞大、结构笨重、成本高昂和调试困难的问题，限制了它的应用。而传统的介质透镜存在着加工难度大、材料损耗大、效率低的缺点。

线通信设备中用来发射和接收电磁波的部件被称为天线，天线是一种变换器，它能把传输线上导行波转换为空间中传播的电磁波[1]。无论是雷达等军用设备，还是手机、平板电脑这些民用设备，都利用天线进行工作，依靠电磁波来传递信息。天线的功能[2]首先是能量转换，即实现导行波和空间波的相互转换；第二个功能是辐射和接收指定的极化波，即天线能根据具体应用场合形成所需的极化；第三个功能是对能量作空间分配，即天线具有方向性，可形成特定指向的波束。一般情况下，传统的天线一旦设计完成，其辐射性能也被固定，这往往无法满足当今复杂的通信需求。为了聚焦天线波束，从而获取高增益特性，抛物面天线[3 4]和介质透镜天线[5 6]被提出，图 1.1 和图 1.2 分别为目前常见的抛物面天线和透镜天线。二者都是利用了波束聚焦原理，将辐射球面波的馈源天线放置在焦点，然后分别利用反射式和透射式聚焦系统来形成同相口径。但是，抛物面天线存在着体积庞大、结构笨重、成本高昂和调试困难的问题，限制了它的应用。而传统的介质透镜存在着加工难度大、材料损耗大、效率低的缺点。

现对波束的动态调控，可以对一些定向辐射天线，如喇，通过机械转动的方式实现电磁波的动态扫描。但是，而且机械需要定期维护。还有一种方式，就是通过电控[7 8]是很有效的解决方案。相控阵天线中各单元后端连接，可以对个单元的出射相位进行独立调控，因而具备了传统的相控阵天线存在系统成本高、馈电网络复杂、维 为某型号的相控阵雷达实物照片。
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本文编号：2839344