基于色散工程的超表面极化调控设计及应用研究

发布时间：2020-09-24 18:23

　　电磁波极化调控在信息通信、目标识别、极化成像和生物医学等多种领域都有着重要的应用意义。传统的极化调控器件主要利用具有双折射特性的材料制作而成,存在着可用材料有限、体积大、损耗大等局限性。超表面是一种新型亚波长人工电磁器件,通过改变超表面的亚波长单元结构,可以对从其中通过的电磁波进行灵活调控,进而改变电磁波的传播方向、相位、极化方式或传播模式等。此外,超表面功能器件还具有小型轻薄、高集成度等优势。超表面的出现为高效便捷、多功能地进行极化调控提供了新途径。针对目前微波波段极化调控中存在的宽带动态调控不足等问题,本文基于色散工程,开展了对极化调控超表面功能器件的研究。主要研究内容及创新点包括:1.基于法诺(FANO)共振模式,设计了一种基于双层椭圆形金属贴片结构的弱手性超表面。超表面结构的弱手性能够产生超强旋光性,其厚度仅约为十分之一波长,在谐振频点处可将入射的线极化电磁波调制为交叉极化极化电磁波,交叉极化透过率超过94%。2.通过在各向同性人工结构材料中引入电控元件PIN二极管来构造各向异性极化调控人工结构,提出了一种宽带、动态极化调控各向异性超表面理论模型;基于漫色散调控理论,利用传输矩阵法和等效电路模型等方法分析验证了宽带范围内动态极化调控超表面方案设计的可行性。在此基础上,设计出一种可用于宽带动态极化调控的反射式超表面,并完成实验验证。在3.4GHz到8.8GHz的频率范围内,所设计的超表面可以将线极化入射波转换成右旋圆极化或者左旋圆极化反射电磁波,也可保持线极化入射波原有的极化状态。3.将各向异性极化调控超表面与传统基于频率选择表面的360°电控波束扫描天线相结合,设计出一种能将线极化转换成圆极化的波束扫描天线。工作频率为4.5GHz,在4.45GHz-4.55频率范围内,回波损耗小于-10dB,天线轴比小于3dB。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O441;TN820
【部分图文】：

各向异性结构,形式,国学

图 1.1 各向异性结构形式Figure 1.1 Anisotropic structural forms国学者 DAVID S. LERNER 报道了一种三明治结构各向图 1.2 所示），由三层电感电容栅格结构组成，较前面可以在两个频段内实现精确的 90 度相位差控制和良好果如图 1.3 所示，可以看出该材料的插入损耗很小围内小于 2dB。

亚波长结构,三明治结构,各向异性

图 1.1 各向异性结构形式Figure 1.1 Anisotropic structural forms美国学者 DAVID S. LERNER 报道了一种三明治结构如图 1.2 所示），由三层电感电容栅格结构组成，较，可以在两个频段内实现精确的 90 度相位差控制和结果如图 1.3 所示，可以看出该材料的插入损耗范围内小于 2dB。

三明治结构,实测结果,轴比,缝隙

图 1.3 三明治结构实测结果(a).插入损耗 (b).轴比Figure 1.3 Measured results of sandwich structures(a).Insertioin loss (b).Axial ratio在 1996 年，日本东京工程研究院学者将单层偶极子阵列的线极化到圆极化转换器应用于缝隙波导平面阵列天线上[40,41]，其结构示意如图 1.4 所示，偶极子的个数与缝隙数相同，且偶极子对应设置于缝隙上方。测试结果如图 1.5、图 1.6所示，显示在 22GHz 处加载极化器的缝隙波导阵列天线其轴比小于 1dB，增益达 34.5dBi，3dB 轴比带宽 4.5%。

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