宽带平面反射阵和多层频率选择表面研究及其应用

发布时间：2017-03-25 23:13

  本文关键词：宽带平面反射阵和多层频率选择表面研究及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：平面反射阵和频率选择表面可以有效调控天线的辐射特性和散射特性,因而受到国内外学者的广泛研究和探讨,特别是在无线通信、卫星通信和深空探测领域。宽带平面反射阵和宽带频率选择表面一直是电磁场领域的研究热点,本论文设计一种宽带平面反射阵,提出基于亚波长分形结构的宽带频率选择表面并对此进行了详细的分析和讨论。基于多层频率选择表面的设计方法,提出和设计机械可重构的极化转换器,可实现线极化到左旋圆极化、右旋圆极化以及不同工作频带的线极化之间的转换。基于各向异性超表面设计了三种反射型极化转化器,可实现多频带多极化转换。本文旨在研究宽带平面反射阵和多层频率选择表面的理论和综合设计方法,以及在高增益天线和新型极化旋转器等领域的应用。本文的主要工作和创新点如下：第一章基于阵列天线理论和几何理论总结了三种反射型阵列天线的空间延迟相位的计算方法。三种补偿相位的计算方法可以统一应用于设计平面反射阵,这为平面反射阵天线的设计奠定了坚实的理论基础。第二章提出基于双共形环单元的宽带反射阵天线。通过改变双共形单元的物理尺寸,可以实现高达550°的相位覆盖范围。由于双共形金属环单元具有较多自由度,通过优化设计可以获得较为线性的相位曲线。同时,可以用较小的单元尺寸覆盖360°相移,即实现单元小型化。因此,此单元具有较好的极化稳定性和角度稳定性。更重要的是该平面反射阵具有宽带特性,其1dB带宽可达到20%,可应用在无线通信领域解决覆盖盲区问题,也可用于合成孔径雷达成像。第三章提出一种基于天线滤波天线概念的多层频率选择表面。提取多层频率选择表面的等效电路模型,其中Minkowski分形贴片和Minkowski分形缝隙结构均属于非谐振结构,分别等效为并联电容和并联电感,中间层的薄介质基板等效为J/K变换器。论文对多层频率选择表面的等效电路进行简化,并得到耦合滤波器原型,并使用滤波器理论综合此多层频率选择表面的电参数。与传统的频率选择表面设计方法相比,基于等效电路模型的多层频率选择表面综合设计方法更加高效快速,通过电参数确定其拓扑结构参数。理论仿真结果和实验结果均证实了多层频率选择表面综合方法的有效性和正确性,这为宽带多层频率选择表面的分析与设计奠定了理论基础。第四章基于多层频率选择表面的综合设计方法,提出一种新型机械可重构的极化转换器。以亚波长金属贴片阵列、栅格线以及薄介质基板组成的频率选择表面,通过级联多层频率选择表面展宽其工作频带。通过引入微扰技术,在两个正交方向上分别产生不同的幅度响应和相位响应。众所周知,当电磁波的幅度和相位差满足一定条件时,可以获得想要的电磁波极化状态。论文研究了理想情况和实际仿真情况下(无限阵列)的轴比理论计算方法,以及与有限阵列的仿真结果和测量结果的对比分析,并对上述结果之间出现的差别进行了详细的分析。实验结果表明此极化转换器可灵活实现不同极化状态之间的转换,且具有较宽的工作带宽和极化与角度稳定性。该极化可重构转换器可用于卫星通信中,解决因电磁波穿过电离层而产生的法拉第效应。第五章提出三种基于各向异性超表面(anisotropic metasurface)的反射型多频带多极化转换器,由于各向异性超表面在两正交方向的幅度响应和相位响应都各不相同,因此可实现极化状态的转换,即线极化到正交线极化、线极化到左旋圆极化和右旋圆极化的转换。所提出各向异性超表面可调控电磁波的极化状态。第一种是单层超薄高选择性极化转换器,单元贴片大小决定其工作频段,切角大小可以调节其矩形系数,即带外下降沿的陡峭程度；第二种多带多极化转换器是在第一种极化转换器基础上进行设计研究,通过增加切角贴片实现多带多极化转换特性；第三种是超宽带极化转换器,通过三层叠加获得多谐振特性进而展宽极化转换的工作频带,获得宽带极化转换器。阵列仿真结果与单元仿真结果和理论分析结果完全吻合。仿真结果也验证了三种各向异性表面的多带多极化转换器可实现不同极化状态之间的重构。
【关键词】：宽带 平面反射阵天线 多层频率选择表面 可重构极化转换器 等效电路综合方法
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN820
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 符号对照表15-16
• 缩略语对照表16-20
• 第一章 绪论20-34
• 1.1 研究背景及意义20
• 1.2 国内外研究现状20-31
• 1.3 论文的主要研究工作及内容安排31-34
• 1.3.1 研究工作31-32
• 1.3.2 内容安排32-34
• 第二章 阵列的基本理论和应用34-60
• 2.1 引言34-36
• 2.2 反射阵天线36-51
• 2.2.1 反射阵基本工作原理36-38
• 2.2.2 补偿相位计算方法38-46
• 2.2.3 典型的相位补偿单元46-49
• 2.2.4 宽带/多带技术49-51
• 2.3 传输阵天线51
• 2.4 频率选择表面51-58
• 2.4.1 频率选择表面工作机理及应用51-56
• 2.4.2 多层频率选择表面综合方法56-58
• 2.5 极化转换器58-59
• 2.6 本章小结59-60
• 第三章 基于双谐振共形环的宽带平面反射阵研究60-76
• 3.1 引言60-61
• 3.2 双谐振共形环单元设计61-67
• 3.2.1 单元结构61-62
• 3.2.2 单元参数分析62-66
• 3.2.3 平面反射阵的应用66-67
• 3.3 谐振共形环平面反射阵设计67-74
• 3.3.1 5×7阵列设计70-71
• 3.3.2 9×9阵列设计71-74
• 3.4 本章小结74-76
• 第四章 多层亚波长分形频率选择表面的综合和设计76-92
• 4.1 引言76-77
• 4.2 基于分形结构的多层频率选择表面的工作原理和设计77-85
• 4.2.1 多层频率选择表面的拓扑结构77-80
• 4.2.2 三阶频率选择表面的等效电路图的简化步骤80-81
• 4.2.3 三阶频率选择表面的综合过程81-85
• 4.3 综合计算、理论仿真以及实测结果85-90
• 4.3.1 综合计算85-86
• 4.3.2 理论仿真86-89
• 4.3.3 实验测量89-90
• 4.4 本章小结90-92
• 第五章 基于多层频率选择表面的极化转换器的设计92-114
• 5.1 引言92-93
• 5.2 研究目标93-94
• 5.3 拓扑结构和工作原理94-98
• 5.3.1 拓扑结构94-95
• 5.3.2 工作原理95-98
• 5.4 PRC单元的仿真分析和轴比的理论计算98-106
• 5.4.1 PRC单元特性98-101
• 5.4.2 轴比计算理论101-106
• 5.5 阵列仿真和实验结果及其讨论106-112
• 5.5.1 全波仿真PRC阵列特性106-108
• 5.5.2 TE和TM极化轴比稳定性108
• 5.5.3 测量反射系数和轴比108-112
• 5.5.4 仿真和测量方向图对比112
• 5.6 本章小结112-114
• 第六章 基于各向异性超表面的多带多极化转换器114-130
• 6.1 引言114-115
• 6.2 工作原理115-116
• 6.3 各向异性超表面高选择性极化转换器116-121
• 6.3.1 拓扑结构116-117
• 6.3.2 单元仿真分析117-120
• 6.3.3 阵列仿真分析120-121
• 6.4 各向异性超表面多带多极化转换器121-124
• 6.4.1 拓扑结构121
• 6.4.2 单元仿真分析121-122
• 6.4.3 阵列仿真分析122-124
• 6.5 各向异性超表面宽带极化转换器124-128
• 6.5.1 拓扑结构124
• 6.5.2 单元仿真分析124-127
• 6.5.3 阵列仿真分析127-128
• 6.6 本章小结128-130
• 第七章 结论和展望130-134
• 7.1 研究结论130-131
• 7.2 研究展望131-134
• 参考文献134-150
• 致谢150-152
• 作者简介152-153

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