基于超表面的极化旋转器设计

发布时间：2020-08-13 01:39

【摘要】：随着微波无线技术的迅速发展,雷达、导航和卫星通信等众多领域对电磁波极化调控提出了越来越高的要求。传统转换电磁波极化的方法主要基于无源电路以及双折射晶体,但其面临转化效率低、工作带宽较窄及设计复杂等缺点。极化旋转器,可以在保证电磁波线极化的同时,将入射线极化电磁波的极化方向旋转一定角度。基于超表面的极化旋转器具有效率高、剖面低等优点,受到了学者的广泛关注。高效率的三频段和双极化的极化旋转器是目前研究的难点。论文对基于超表面的极化旋转器进行了深入研究,针对极化旋转器的研究所面临的两个难点,分别设计、加工并测试了两款具有不同特性的极化旋转器。论文的主要研究成果为:1.高效率三频段极化旋转器设计。首先,利用一层开口谐振环和两层正交极化线栅所组成的类三明治结构设计了一款高效率单频段透射型极化旋转器。该极化旋转器可以在4.8-13 GHz频段内将入射线极化平面波旋转90°,带内平均极化旋转效率为93.1%。其次,详细研究了影响其极化旋转效率和频带移动的各个参数,并以其为原型,创新性地设计了由三个不同半径的同心开口环组成的三频段极化旋转器。通过金属表面电流分布和空间电场分布对该三频段极化旋转器的工作机理进行了详细分析。最后对该三频段极化旋转器进行加工与测试。其交叉极化传输系数大于0.8的频段分别为4.55-7.78 GHz(相对带宽为52%)、9.75-11.4 GHz(相对带宽为15.6%)和14.85-16.48 GHz(相对带宽为10.4%),带内平均极化旋转效率分别为98.8%、98.7%和93.4%。2.高效率双极化双频段极化旋转器设计。首先基于4层截断线超表面,设计了工作在低频段的高效率y极化旋转器;其次基于4层开口环超表面,设计了工作在高频段的高效率x极化旋转器。通过分析不同频率下4层超表面的电流分布,可对其极化旋转机理进行详细解释。在此基础上,将该两种设计结合,实现了一款新型双极化双频段高效率极化旋转器。最后加工并测试了一款由20×20个单元所组成的双极化双频段极化旋转器。测量结果表明,该极化旋转器可以在7.7-13.6 GHz频段内将入射的y极化电磁波转换成x极化;在15.3-22.8 GHz频段内将入射的x极化电磁波转换成y极化,相对带宽分别为56%和40%,平均极化旋转效率分别为98.7%和95.1%,且在工作频段内交叉极化传输系数均大于0.9。
【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】：O441
【图文】：

分支方向,吸波体,表面,带阻

西安电子科技大学硕士学位论文对电磁波传播方向和极化方式的控制。因此，超表面具有强大的电磁场操控能力，它为新一代微波和光学器件提供了巨大的基于，受到人们的广泛关注，并逐渐成为一个热门研究方向。超材料一般具有三维立体结构，虽然其可调节参数较多，灵活性较大，易实现不同的功能，但也正是因为其结构复杂，加工困难，且对于一些透射型电磁设备而言损耗较大，因此在很多应用方面受到限制。研究人员根据三维超材料的工作原理，提出了二维结构的超材料，即超表面。超表面的加工可以利用现有成熟的蚀刻或印刷技术实现，降低了生产成本。相较于超材料，超表面还拥有较小的物理尺寸和传输损耗，便于集成在对剖面和传输损耗要求较高的微波设备中。

示意图,电磁波,矢端轨迹,示意图

x yE xE yEcos( )x t kz ， cos( )y ym yE E t kz 。极化空间固定点上随时间变化所描绘的轨迹来描述。电磁极化、椭圆极化和线极化。若E 的矢端轨迹是一条直矢端轨迹是圆，称该波为圆极化波；若矢端轨迹是椭极化波的示意如图 1.2 所示。pyxxExEy(a) 线极化 (b) 圆极化y

示例,文献,网格线,旋转能力

图 1.3 文献[29]中的极化旋转器示例频段人工电磁材料的极化控制特性进行研究的科年研究了基于螺旋体的旋转偏振面[31]。除此之外，用一组平面密集的网格线，这些网格线从一层到另一式线栅偏振旋转器具有较低的反射损耗和较宽的带射波，从而将此类装置的反射损失降至最低。文献构中倾斜的金属化层之间不需要电接触。基于此发线的方法，可通过厚度为 λ/30 的单层结构实现 7°拥有 250°的旋转能力。该结构包括许多堆叠的金属口环谐振器构成。在微波频段内具有高达 96%的转人[28]提出了基于双层超表面的透射型极化旋转器。刷在 Taconic TLY-5 介质的两侧。两侧的金属印刷图成，每个超表面单元由四个矩形金属条旋转放置组

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