FDTD方法在新型人工平面电磁结构设计中的应用研究

发布时间：2020-10-16 07:58

　　 人工电磁材料是自然界中没有的、人工制造的、具有特殊物理性质的复合材料。人工电磁材料的二维形式即人工平面电磁结构,也被称为超表面。本文研究了基于时域有限差分(FDTD)算法的人工平面电磁结构的建模方法,通过FDTD算法分别对人工平面电磁材料的周期均匀结构、非周期非均匀阵列结构进行建模仿真分析。观察、研究了频率选择表面(FSS)对携带轨道角动量(OAM)的电磁波的滤波作用,验证了 FDTD算法的有效性。轨道角动量是电磁波的一个新的自由度,它对通信系统进行信道复用、提高信道带宽具有重要的价值。因此,基于OAM波的通信系统成为了一个研究热点,而找到可以有效产生OAM波的天线尤为重要。本文结合最新的人工平面电磁结构研究成果,设计了一种在射频波段可以产生不同OAM模式的反射阵天线。与已提出的众多产生携带轨道角动量的电磁波的天线相比,该天线可以在不改变单元结构的情况下实现OAM模式可调,它由FDTD算法仿真,FDTD算法的有效性由和商业全波仿真软件中的结果作对比来进行验证。仿真结果显示:通过合理设置每个单元结构中位于两片理想金属薄片间变容二极管的电容值,反射阵天线可以在3.5 GHz下成功产生携带OAM模式0±1,±2的电磁波。本文对组成反射阵天线单元结构做了进一步设计改造,改进了上述提出的反射阵天线,使天线可以同时在两个相互垂直的极化方向上工作,并且实现了 OAM模式在不同极化方向上的独立可调。与其它反射阵天线单元结构做比较,提出的单元结构在两个不同的极化方向均可以实现平稳的相位变化,并且两个不同的极化方向间的耦合很小。文中使用了全波仿真软件对设计的天线进行了仿真分析,在设计过程中提出了适用于单元结构的等效电路模型,不仅加快了设计进程,也对单元结构的相位响应做出了解释。最后,通过全波仿真软件得到的数据,对天线的反射效率和携带不同OA]M模式电磁波的纯度进行了分析,验证了提出的反射阵天线的有效性。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O441.4;TN820
【部分图文】：

的电导率和磁导率来描述其电磁性质。经过精心设计的超材料可以实现自然材料??不具有的电磁性质，例如，负折射［３，４］，高折射率［５，６］，隐身／幻像［１，７＝８］等。常见的??人工电磁材料如图１－１所示。??超表面（Ｍｅｔａ－ｓｕｒｆａｃｅ）是人工电磁材料的二维形式，它基于广义斯涅尔定律??（Ｓｎｅｌｌ’ｓ?Ｌａｗ）?［９］。通常来看，超表面由二维周期阵列单元组成，通过调节单元??结构、尺寸和介质参数等，可以方便、灵活地调控电磁波的传播模式、波阵面幅??度、相位和极化方式等电磁性质。??图１－１人工电磁材料举例（ａ）隐形斗篷１１１?（ｂ）吸收器１２１??１．１本课题的研究背景和意义??根据麦克斯韦电磁理论，电磁辐射携带有能量Ｅ?＝?ｆｔｖ，还有动量Ｐ?＝?ｈｖ／ｃ，其??中ｈ为普朗克常数，ｖ为光子频率，ｃ为光速，而动量又可以分解为线动量和角动??量其中，角动量又包括自旋角动量（ＳｐｉｎＡｎｇｕｌａｒＭｏｍｅｎｔｕｍ，?ＳＡＭ）和轨道??角动量（Ｏｒｂｉｔａｌ?Ａｎｇｕｌａｒ?Ｍｏｍｅｎｔｕｍ，?ＯＡＭ）。自旋角动量代表电磁场的极化特征，??例如线极化（ＳＡＭ＝０）

Ｒａｄｉｕｓ?（ｃｍ＞?Ｒａｄｉｕｓ?（ｃｍ）??图１－４螺旋相位板及其对应的相位１２６１??Ｉｎｎｅｒ?ｐａｒｔ??．ｄｅｓｉｇｎｅｄ?ｆｏｒ??，？?ｉｎ〇ｄｃ?／＝?ｉ??＆？？拿嗜??ＭｉｄｃｎＣｊ＾＾｜：｜＾｜＿?盡?〇ｕ??ｄｅｓｉｇｎｅｄ?ｆｏｒ?Ａ?？?，?ｒ??ｎｌ０ｄｅ?ｄｅｓ．ｇｎｃｄ?ｔｏｒ??ｍ〇ｄｅ／＝４??图１－５螺旋相位板实现的三模０ＡＭ天线Ｐ７１??２０１３年，Ｂｅｎｎｉｓ提出了利用相位板在毫米波段产生ＯＡＭ波的结构［２６］，如??图１－４所示。在２０１４年，Ｌ．Ｃｈｅｎｇ和Ｗ．Ｈｏｎｇ基于传输阵列天线理论提出了一种??平面螺旋相位板，用于产生混合态的ＯＡＭ波束ｔ２＇如图１－５所示。２０１５年，浙??江大学的郑史烈对一种环形行波天线产生的ＯＡＭ波的传输特性进行了研究１２８］。??２０１６年，西安电子科技大学的李龙教授团队先后提出了三种０ＡＭ反射阵天线??［２Ｗ１］，其中的单模ＯＡＭ反射阵天线如图ｌ－６（ａ）所示。同一年，在ＴＨｚ波段，??Ｚｈｕａｎｇ?Ｃｈａｎｇ提出了利用石墨烯材料的可调ＯＡＭ反射阵天线［３２］

?ｄｅｓ．ｇｎｃｄ?ｔｏｒ??ｍ〇ｄｅ／＝４??图１－５螺旋相位板实现的三模０ＡＭ天线Ｐ７１??２０１３年，Ｂｅｎｎｉｓ提出了利用相位板在毫米波段产生ＯＡＭ波的结构［２６］，如??图１－４所示。在２０１４年，Ｌ．Ｃｈｅｎｇ和Ｗ．Ｈｏｎｇ基于传输阵列天线理论提出了一种??平面螺旋相位板，用于产生混合态的ＯＡＭ波束ｔ２＇如图１－５所示。２０１５年，浙??江大学的郑史烈对一种环形行波天线产生的ＯＡＭ波的传输特性进行了研究１２８］。??２０１６年，西安电子科技大学的李龙教授团队先后提出了三种０ＡＭ反射阵天线??［２Ｗ１］，其中的单模ＯＡＭ反射阵天线如图ｌ－６（ａ）所示。同一年，在ＴＨｚ波段，??Ｚｈｕａｎｇ?Ｃｈａｎｇ提出了利用石墨烯材料的可调ＯＡＭ反射阵天线［３２］，如图ｌ－６（ｂ）??所示。目前，除了上述的超材料和行波天线以外，携带ＯＡＭ的无线波束产生的??方法主要有三种：螺旋相位板［２７］、螺旋反射器【３］和天线阵［３３］。尤其是
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本文编号：2842986