基于十字变形结构的高效超宽带线性极化转换超表面

提出了一种基于十字变形结构超表面的极化转换器,在反射模式下获得了高效超宽带的交叉极化反射.在8.4到20.7GHz频段内交叉极化反射率大于-0.2dB,而共极化反射率小于-12dB,在谐振频率点处交叉极化反射率大于-0.03dB,而共极化反射率达到-60dB,即在谐振点处几乎可实现完全的交叉极化转换;相对带宽达84.5%,交叉极化的平均转换效率为96.7%;此外,利用电路板刻蚀制备了此极化转换器样品,实验测试其交叉极化反射率在工作频段内大于-1dB,而共极化反射率小于-10dB,实验结果与模拟结果吻合,验证了此超表面可以在超宽的频带内实现线极化电磁波的交叉极化转换.本文设计的超宽带极化转换超表面具有转换效率高和几何结构简单的优点,可被扩展到太赫兹甚至是可见光频段.     

基于梯度超表面的反射型线-圆极化转换器设计

本文设计了同时具有线-圆极化转换和出射波偏折功能的反射型极化转换器通过六个不同结构参数的改进型十字结构四分之一波片组成一维相位梯度超表面,将此超表面分别在x和y方向进行周期排布,设计了极化转换器.通过理论分析、仿真计算和实验测试,验证了该极化转换器在13.8-14.7 GHz频带内实现了高效线一圆极化转换和奇异反射.仿真并测试了镜面反射率、反射功率密度谱和轴比特性,仿真结果和测试结果的一致性良好,结果表明该极化转换器在13.8-14.7 GHz频带内的镜面反射率小于-10 dB,轴比小于2 dB,而且反射波的偏折方向与理论分析相一致.     

一种基于超材料的宽带、反射型90°极化旋转体设计

根据各向异性媒质理论, 设计了一种宽带、反射型超材料极化旋转体, 能够将线极化波极化方向旋转90°, 极化转化率大于90%的工作带宽为5.5–14.5 GHz. 该极化旋转体由两层介质板、金属双开口谐振环和金属底板周期排列构成, 具有各向异性的特点, 单元两对角线方向的电场分量反射系数相同, 反射相位相差180°, 导致其极化旋转特性. 利用表面电流分布图, 分析不同极化波入射时该极化旋转体的谐振状态, 实验和仿真结果符合较好. 该极化旋转体在新型天线设计和隐身技术等方面具有广阔的应用前景.     

基于开口椭圆环的高效超宽带极化旋转超表面

电磁波的极化态在信号传输和灵敏度测量中有非常重要的应用价值. 本文设计、仿真并实验验证了微波频段基于开口椭圆环谐振器的极化旋转超表面. 理论上, 将多阶表面等离子谐振和高阻抗表面相结合, 解释了多谐振点、高效率极化旋转的物理机理. 数值上, 通过对结构参数的仿真分析, 给出了运用开口椭圆环结构设计多频段、超宽带高效极化旋转超表面的方法. 所设计和制作的超表面能够在相对带宽104.5%的频率范围内实现大于85%的极化旋转效率. 这些工作将为极化操控超表面的设计和应用提供重要帮助.     

基于交叉极化旋转相位梯度超表面的宽带异常反射

设计实现了一种基于双圆弧形金属结构的宽带反射型极化旋转超表面, 在7.9–20.1 GHz的宽频带范围内交叉极化转换率达到99%, 通过改变其结构参数可实现在保持高效的交叉极化转换率的条件下对交叉极化反射相位的自由调控. 基于六种不同结构参数极化旋转超表面结构单元的空间排布设计实现了一维宽带相位梯度超表面, 在宽频带内, 实现了异常反射. 测试了其镜面交叉极化反射率, 与仿真结果基本一致. 仿真计算了x-极化波入射时的电磁场分布和异常反射角度, 与理论计算结果基本一致. 仿真与测试结果均表明这种相位梯度超表面在8.9–10 GHz 和10.0–18.1 GHz的两个宽带频率范围内可分别实现高效的表面波耦合和异常反射.     

电磁波在大面积等离子体片中传播特性的分析

脉冲磁约束线形空心阴极放电形成的大面积等离子体片可应用于等离子体天线、隐身及模拟超音速飞行器表面的等离子体鞘套. 本文首次利用实测等离子体片电子密度时空分布和横向场传播矩阵法, 研究了电磁波在等离子体片中反射率、透射率、吸收率随频率及脉冲放电时间的变化特征. 结果表明: 极化方向平行磁场的电磁波, 在小于截止频率的低频带内具有较高的反射率和吸收率, 增大电流, 反射率增加, 吸收率下降, 在大于截止频率的高频带内反射率和吸收率较低, 增大电流, 透射率下降, 吸收率升高; 极化方向垂直磁场的电磁波在高混杂谐振频率附近存在吸收率明显增强的吸收带, 谐振吸收峰值与放电电流无关; 脉冲放电期间, 电磁波的反射率、透射率与吸收率由不稳定过渡到稳定的时间约为100 μs, 过渡时间随着放电电流的增加而增大, 极化方向垂直磁场、小于截止频率的电磁波在稳定放电阶段谐振吸收较强. 本文的研究成果对利用等离子体片实现对电磁波的稳定高反射作用具有重要意义.     

一种宽角域散射增强超表面的研究

提出并验证了一种基于超表面相位梯度设计以实现宽角域后向雷达散射截面(radar cross section, RCS)增强的设计思路.宽角域RCS增强超表面包含两个区域,分别设计大小相等方向相反的相位梯度,控制-45?和45?方向上的入射电磁波沿入射方向返回;电磁波垂直入射时,在一个区域内耦合为表面电磁波,传播至另一区域再次解耦为垂直反射的自由空间波,分别在-45?, 0?, 45?方向上形成散射峰,实现了在-45?—45?的宽角域范围内的RCS增强.仿真了宽角域RCS增强超表面在电磁波以不同角度入射时的电场分布和单站RCS,测试了加工样品在9—12 GHz频带内不同频点处的单站RCS,和仿真结果基本一致.结果表明:设计的宽角域RCS增强超表面在9—12 GHz的宽带频率范围内,在-45?—45?的宽角域范围内对于x和y极化入射波均有良好的RCS增强效果.     

单层高效透射型相位梯度超表面的设计及实验验证

本文设计了一种单层高效透射型相位梯度超表面,并通过仿真和实验进行了验证.在圆极化波入射条件下,超表面单元的交叉极化转化率大于90%的频带范围为14-15.8 GHz.通过对单元的面内旋转可实现在保持高交叉极化透射幅度的前提下对交叉极化透射相位进行调控.基于6个旋转步进为300的超表面单元周期排布设计了一维相位梯度超表面,该超表面对左/右旋圆极化波分别形成方向相反的相位梯度,因此线极化波经过超表面后将会分离成两束对称传播的圆极化波15 GHz处的近场电场分布和远场归一化透射能量方向图的仿真结果表明,奇异透射角仿真值为33.50,与理论设计值(33.75°)符合得很好.仿真并测试了透射功率密度谱,结果表明在14.9-15.3GHz频带范围内垂直入射的线极化波被高效分离成两束圆极化波.相比于以往的透射型极化调制超表面,该超表面具有工作效率高、厚度薄、重量轻等优点,在电磁波传播和极化操控领域具有重要的应用价值.     

基于极化旋转超表面的圆极化天线设计

本文通过设计出一种反射型极化旋转超表面,在8—12 GHz频域内实现高效的极化旋转,并将其加载于微带缝隙天线下方构成新型的极化旋转超表面天线,利用超表面的90°极化旋转效应,成功实现了天线的圆极化辐射调制.仿真与实验结果表明:圆极化天线的中心工作频率为GHz,阻抗带宽为8.3—10 GHz.当微带缝隙天线与极化旋转超表面的间距H=4.5mm时,天线在8.3—8.8 GHz频带内实现了圆极化辐射;当mm时,天线在8.8—9.3 GHz频带内实现了圆极化辐射;当=8mm时,天线在9.3—10 GHz频带内实现了圆极化辐射.实验结果与仿真结果相符,证明了此种设计方法的有效性,也为微带缝隙天线的圆极化设计提供了一种新的途径.     

基于谐振环的太赫兹宽带偏振转换器件研究

提出了一个基于谐振环结构的宽带且高效的太赫兹线偏振转换器.该结构由金属-电介质-金属三层构成,位于顶层的是基于开口谐振环的超表面,中间为介质层,底部为金属板.实验结果表明,该结构可以在0.59-1.24 THz频率范围内将线偏振的太赫兹波偏振方向旋转90°,转换率超过80%.通过计算该结构在所研究的频率范围内反射光的偏振角和椭圆角,证实了该结构可以在较宽的频率范围内实现高效的线偏振转换.对该结构在偏振转换率高的频率下表面电流和电场进行仿真,分析了高偏振转换率和宽带的机理.同时,研究了该结构的偏振转换率对入射角以及偏振角的依赖性,结果表明该结构在0°-30°入射角范围内、-10°-10°偏振角范围内均有很好的偏振转换性能.     

基于全介质超表面的电磁诱导透明研究

设计了一种基于TiO2介质的全介质电磁诱导透明超表面模型,该结构由两根十字垂直交叉的介质棒和四个介质方块组成.在入射电磁场的作用下,介质棒中直接被入射电磁场激励的米氏电谐振通过相互耦合作用激发了介质方块中的磁共振,并产生谐振模之间的相消干涉,从而产生了类电磁诱导透明现象.利用电磁仿真软件和双谐振子耦合模理论,模拟计算和定量分析了类电磁诱导透明效应,结果表明:在电磁波正入射下,该结构在0.552THz处产生一透射率接近96%的透明窗口.由于其结构单元具有4度旋转对称性和多个暗模谐振元素,使得诱导透明效应出现较宽频带且呈现出对入射电场极化方向不敏感的特性.     

基于单层线-圆极化转换聚焦超表面的宽带高增益圆极化天线设计

基于线-圆极化转换原理和聚焦超表面相关理论,设计了一种反射型宽带线-圆极化转换聚焦超表面,并结合线极化馈源设计了宽带的高增益圆极化天线.首先,提出了一种单层的变形十字超表面单元,单元具有极化独立特性,并且能够在10—14 GHz宽频带范围实现对反射波相位360?范围全调控,同时利用该单元构建的一维超单元很好地验证了奇异反射现象.然后,分别控制单元横向和纵向尺寸的分布构建出同时满足线-圆极化转换和聚焦条件的双功能超表面.最后,采用Vivaldi天线作为馈源对超表面进行照射组成天线系统,仿真及测试结果均表明天线系统同时实现了高增益和线-圆极化转换,系统的-1 d B带宽为24%,-3 d B轴比带宽为29.8%.本文的设计充分体现了超表面对电磁波相位和极化操控的灵活性,具有显著的应用前景.     

基于场变换的毫米波半波片设计

极化转换是电磁波调控的重要研究方向之一.本文基于场变换理论提出一种宽入射角的宽带毫米波半波片.基于等效媒质理论,该半波片可由亚波长厚度的两种介电常数不同的材料周期性排布后旋转45°得到.通过设计控制两种材料的介电常数、高度比值以及整个半波片的厚度可以在毫米波段实现极化转换的功能,此设计具有低损耗和高转化效率的特点.此半波片能实现横电波与横磁波的相互转换以及圆极化波的相互转换,极化转换-3 dB相对带宽达49%.仿真和实测结果相符,验证了该半波片宽带高效的极化转换效果.在入射角为60°时,极化转换-3 dB带宽依然能够达到36%左右.     

基于单层反射超表面的宽带圆极化高增益天线设计

基于Pancharatnam-Berry相位原理, 设计了一种宽带圆极化反射聚焦超表面并将其应用到提高天线增益中. 首先提出了一种变形十字超表面单元, 在11-16 GHz频带范围内能够实现高效同极化转换, 并基于该单元构建了宽带反射聚焦超表面. 仿真结果表明, 垂直入射的右旋圆极化平面波宽带聚焦效果明显. 然后利用单向阿基米德螺旋天线对超表面进行照射, 其辐射的球面波经超表面反射后得到了近平面波, 有效地提高了天线的增益. 最终对所设计的天线系统进行加工并测试, 结果表明系统的-1 dB增益带宽达到25% (12.5-16 GHz), 在该频带范围内峰值增益均高于19 dBc且轴比小于3 dB. 此外, 在12-15.5 GHz范围内天线口径效率均超过50%.     

基于狄拉克半金属的可调谐的太赫兹宽频带纯线偏振转换器

本文基于新型材料狄拉克半金属(Dirac semimetals,DSs),设计了一款高纯度宽频带可调谐线偏振转换器,偏振转换率(PCR)超过99%的相对带宽为15.72%。在频段5.25~6.14 THz内,椭度角接近0°,偏振方位角约等于-90°。这种转换性能主要是源于顶层超表面的各向异性和局域的表面等离子体激元谐振(LSPRs)的激发。此外,通过改变费米能的大小可以使所设计的偏振转换器在不同的频带范围内实现宽频带偏振转换。最后,通过半解析的方法对偏振转换特性进行了理论分析。该设计在太赫兹通信、成像、无损检测等领域具有一定的应用价值,同时为宽频带可调谐太赫兹线偏振转换器的设计提供了新思路。     

基于复合超构表面的宽带圆极化双功能器件设计

多功能器件的设计是推动新一代电磁系统发展的重要力量,而超构表面因其对电磁波的幅度、相位和极化等特性的灵活调控在多功能器件领域备受关注.传统的多功能超构表面是利用各向异性单元对相互正交的线极化波具有不同响应的特性,从而设计出适用于线极化的多功能器件.本文提出了一种缝隙加载的环I形复合超构表面单元,通过单元臂长和旋转角度的调整实现了对圆极化电磁波传输和几何相位的独立控制.利用上述两种相位的共同作用,打破了左旋和右旋圆极化电磁波操控中存在的固有关系,为圆极化双功能器件的设计提供了新的思路.在此基础上,利用复合超构表面分别设计了异面偏折器和定向/涡旋光束产生器,实验结果表明,本文设计的两种反射型圆极化双功能器件在9—13 GHz的宽频带范围内均能良好工作.     

宽带超薄完美吸波体设计及在圆极化倾斜波束天线雷达散射截面缩减中的应用研究

为了缩减天线带内雷达散射截面(radar cross section, RCS), 在双频带完美吸波材料的基础上, 通过缩小两吸波率峰值之间的距离, 设计出了一种频带较宽的超薄完美吸波体.该吸波体由两层金属及其中间的有耗介质组成, 底面金属不刻蚀, 顶面由方形贴片和绕其四周的开口方环组成, 该结构具有低频点LC谐振和高频点偶极子谐振的特征.仿真和实验结果表明: 该吸波体具有极化不敏感和宽入射角的特征, 其在厚度小于0.01λ的条件下, 具有8.2%的半波功率相对带宽, 最大吸波率的峰值为91.6%和96.5%. 将吸波体用于圆极化的倾斜波束 (tilted beam, TB)天线, 仿真和测试结果表明: 该天线在保持增益不变的条件下, 不仅轴比得到改善, 有效带宽得到拓展, 且在5.5–6.5 GHz范围内TB天线的RCS缩减至少在3 dBsm以上, 在谐振频点处最大缩减幅度分别为11 dBsm和8 dBsm; 在两谐振点处鼻锥方向-36°–+36°范围内, TB天线的RCS缩减均有明显效果. 关键词： 超薄完美吸波体 TB天线 雷达散射截面 圆极化     

基于剪纸方法的一种可重构线极化转换空间序构超表面

随着智能技术的发展,具有可调的电磁波极化转换器件对于实际应用来说至关重要.目前大多数基于PIN二极管、变容二极管来实现电可调,这些方法操作简单、实时性强,但仍存在平面序构调控自由度少、电路复杂、成本较高等问题.鉴于此,本文提出了一种基于剪纸结构的可重构极化转换超表面,通过调节折叠角度β改变磁偶极子之间的相互作用从而调谐极化转换工作频率,这种机械调控方法带来了更多调控自由度,且成本低廉、便于调控.为验证本文剪纸方法的可行性,基于非对称手性开口环谐振器设计了一款具有可重构空间序构的双频线极化转换超表面.实验结果表明,当β=10°,线极化转换器工作于5和5.8 GHz,当β变化到45°时线极化转换器工作频段调谐到5.8和7.2 GHz,平均频率调控范围达18.5%.此外,本文还分析了所提剪纸结构的泊松比和相对密度随β的变化规律,泊松比随着β增大而增大,且剪纸超表面的相对密度最小仅为未折叠情形下平面序构的1.5%.本文空间序构剪纸超表面为可重构线极化转换、多功能器件提供了新思路和新方法.     

一种加载电阻膜吸波材料的新型频率选择表面

通常频率选择表面雷达罩借助其几何外形, 将带外信号反射到远离来波的方向, 从而实现隐身. 然而随着多基雷达反隐身技术的发展, 这种反射信号仍然可以被侦测到. 针对这一难题, 提出一种加载电阻膜吸波材料的新型频率选择表面. 该频率选择表面在低频工作带通内, 不仅对大入射角和不同极化电磁波具有稳定的带通特性, 而且在高频带外对电磁波表现出吸收特性, 可以将探测信号吸收掉, 从而大大降低被反隐身多基雷达探测的风险. 另外, 由于吸波材料的作用, 使得频率选择表面的栅瓣也得到了很好的压制, 降低了栅瓣对频率选择表面工作频带的干扰.     

一款基于多物理场调控的超宽带线-圆极化转换器

为了在微波波段实现可调谐的线-圆极化转换器的设计,结合固态等离子体与二氧化钒设计了一种基于多物理场调控的超宽带线-圆极化转换器,通过改变固态等离子体谐振单元激励状态和人为改变外部温度(T)来实现对该线-圆极化转换器工作频段的调控.采用了全波仿真的方法对该极化转换器的极化转换率曲线、反射相位曲线、轴比曲线、表面电流图进行了计算,并讨论了参数r_1与r_3对轴比的影响.仿真结果表明,当固态等离子体区域均未激励且T68℃时,3 dB轴比频带为14.3—29.7 GHz,相对带宽为70%;当固态等离子体区域均被激励且T68℃时,3 dB轴比频带为14.4—23.4 GHz与28.6—35.9 GHz,相对带宽分别为47.61%和22.64%;当固态等离子体区域未激励且T≥68℃时,3 dB轴比频带为8.4—11.2 GHz与18.7—29.5 GHz,相对带宽分别为28.57%与44.81%.通过改变固态等离子体的激励状态和外部温度,实现了该超宽带线-圆极化转换器工作带宽向高频和低频区域的移动.