新型人工電磁表面對電磁波傳播特性的控制.pdf

1、新型人工電磁表面是一種二維的新型人工電磁材料，與傳統(tǒng)的人工電磁材料相比，利用人工電磁表面設(shè)計(jì)得到的新型器件具有更薄的厚度、更小的損耗、更低的加工難度，并且易于與傳統(tǒng)的微波以及光學(xué)系統(tǒng)相集成，這些特點(diǎn)使得人工電磁表面成為近年來的研究熱點(diǎn)。人工電磁表面能夠在分界面引入相位突變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電磁波傳播方向的任意控制，這一設(shè)計(jì)思想不同于三維的人工電磁材料對電磁波的控制，具有靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，可以用來設(shè)計(jì)超薄的高性能電磁波控制器件。在此基礎(chǔ)之上，多種

2、基于人工電磁表面技術(shù)的新型器件被提出，如人工隱身表面、各種新型高性能透鏡、極化調(diào)控表面、低剖面新型天線以及超薄吸波器等。本文以人工電磁表面對電磁波傳輸特性（相位、幅度、極化）的控制為目標(biāo)，對人工電磁表面單元結(jié)構(gòu)及其在微波器件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文的主要工作如下：
　　（1）研究了不同電磁參數(shù)在表征人工電磁表面電磁特性時(shí)的區(qū)別，分析了等效表面電磁極化率表征人工電磁表面電磁特性時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。推導(dǎo)了表面電磁極化率與人工電磁表面反射/透

3、射系數(shù)之間的關(guān)系。對現(xiàn)有的人工電磁表面綜合方法進(jìn)行了總結(jié)，提出了一種表面電磁極化率法綜合人工電磁表面的簡化求解方法。并且分析了表面電磁極化率綜合法與惠更斯人工電磁表面設(shè)計(jì)法之間的關(guān)系。
　　（2）提出了一種新型的小型化惠更斯單元結(jié)構(gòu)。該單元結(jié)構(gòu)緊湊、厚度薄，同時(shí)包含有電偶極子與磁偶極子結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對人工電磁表面表面電流以及磁流的同時(shí)調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較薄的厚度以及較高的控制效率。并且該單元結(jié)構(gòu)的電偶極子結(jié)構(gòu)與磁偶極子結(jié)構(gòu)之間的耦合幾

4、乎可以忽略，可以極大地簡化設(shè)計(jì)過程。之后利用該單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款新型超薄波束偏折透鏡。
　?。?）提出了一種新型各向異性的惠更斯單元結(jié)構(gòu)。該單元同樣具有結(jié)構(gòu)簡單、厚度薄的優(yōu)點(diǎn)，并且同時(shí)包含有兩個(gè)正交的電偶極子結(jié)構(gòu)與兩個(gè)正交的磁偶極子結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對人工電磁表面正交的電流和磁流的任意控制。利用該單元結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款工作于微波頻段的新型超薄極化分束器，實(shí)現(xiàn)了不同極化電磁波的大角度分離。之后利用該單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款工作于微波頻段

5、的低剖面天線罩，該天線罩能夠?qū)⒉煌瑯O化的電磁波束偏折向同一方向。該人工電磁表面單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性使得其在微波及光學(xué)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
　?。?）提出了一種利用惠更斯人工電磁表面實(shí)現(xiàn)對電磁波反射或透射幅度相位同時(shí)控制的方法。利用該方法實(shí)現(xiàn)電磁波幅度相位的控制具有簡單方便的優(yōu)點(diǎn)，能夠極大地拓展了惠更斯人工電磁表面對電磁波傳輸特性的控制能力。之后，利用惠更斯單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了該方法的靈活性及其對電磁波幅度和相位的控制能力，并設(shè)計(jì)了

6、兩款超薄透射型多階衍射光柵。利用這一方法對電磁波幅度相位的控制能力，可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的電磁波器件，如全息成像系統(tǒng)等。
　　（5）提出了一種“I”形多模反射型超寬帶極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)。該單元結(jié)構(gòu)4個(gè)不同的電諧振與磁諧振模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了超寬帶的反射電磁波極化轉(zhuǎn)換。反射交叉極化電磁波的幅度和相位能夠通過調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的尺寸與旋轉(zhuǎn)角度分別控制。之后，利用該單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款工作于微波頻段的超寬帶反射型多階衍射光柵，證明了該單元結(jié)構(gòu)對反射電