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%.     

高增益宽带圆极化Vivaldi天线阵的设计

提出了一种由新型Vivaldi天线单元构成的22十字交叉圆极化天线阵。Vivaldi天线单元采用边缘渐变对拓的锯齿结构,提高了天线在4.7～7.0 GHz频带内的增益,其反射系数低于-10 dB的带宽为2.4～11.0 GHz,具有超宽带线极化特性。圆极化天线阵测量结果显示,在4.5～7.0 GHz频带范围内,其轴比均低于3 dB,且整个频带范围内增益达11～13 dBi。     

高增益宽带圆极化Vivaldi天线阵的设计

提出了一种由新型Vivaldi天线单元构成的22十字交叉圆极化天线阵。Vivaldi天线单元采用边缘渐变对拓的锯齿结构,提高了天线在4.7～7.0 GHz频带内的增益,其反射系数低于-10 dB的带宽为2.4～11.0 GHz,具有超宽带线极化特性。圆极化天线阵测量结果显示,在4.5～7.0 GHz频带范围内,其轴比均低于3 dB,且整个频带范围内增益达11～13 dBi。     

超薄宽带平面聚焦超表面及其在高增益天线中的应用

针对相位梯度超表面在灵活操控电磁波与提高天线增益中的潜在应用,提出一种新型的宽带超表面单元,实现了在较宽频带范围内操控电磁波波前与提高天线增益.本文首先设计了一种圆环十字形对称单元来控制反射波的相移量,单元厚度为1 mm,尺寸为0.3λ_0(λ_0=20 mm),工作频段15—18 GHz,而后验证了由该单元组成的相位梯度超表面在15—18 GHz范围内对电磁波的奇异反射与聚焦特性.最后将设计的反射聚焦超表面应用于提高天线增益中,仿真与测试结果均表明,天线最高增益在15—18 GHz内平均增加了11 d B且-1 dB增益带宽为15—18 GHz(相对带宽为18.2%).由于厚度薄、重量轻、频带宽,设计的该单元拓展了相位梯度超表面在微波领域的应用,有望为高增益天线的实现提供新的方法.     

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.     

单层超薄高效圆极化超表面透镜

针对超表面在透镜方面的应用, 本文设计了一种交叉极化透射聚焦超表面, 实现了将圆极化波转化为交叉极化波的同时聚焦电磁波的功能. 设计了一款旋转型单元, 单元为一层且厚度仅为1.5 mm, 分析了旋转型单元提供不同相移的原理并设计了相邻单元相移差为60°的相位梯度超表面, 在中心频率f=15 GHz附近发生奇异折射, 折射角与理论计算结果一致, 验证了设计单元的有效性, 基于该单元设计了尺寸为90 m mm×90 mm、单元数为15×15 的透射型聚焦超表面, 在中心频率f=15 GHz附近, 左旋圆极化平面波照射时, 透射波聚焦于L=40 mm 的实焦点且透射波为照射波的交叉极化波. 该超表面透镜效率高、厚度薄且为单层, 易于加工, 相对于传统透镜, 优势明显, 在操控电磁波、改善透镜性能方面有潜在应用价值.     

圆极化波反射聚焦超表面

基于圆极化波入射条件下的高效同极化反射超表面实现了对圆极化反射波相位的自由调控, 设计了一维圆极化波反射聚焦超表面. 在中心频率f=16 GHz附近, 右旋圆极化平面波入射时, 反射波聚焦于焦距L=200 mm的实焦点; 左旋圆极化波入射时, 反射波近似聚焦于焦距L=-200 mm的虚焦点. 仿真计算得到聚焦波束的波束宽度、焦深. 结果表明, 这种圆极化反射聚焦超表面具有很好的聚焦效果, 同时具有长焦深和宽带特性.     

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.     

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...     

基于超材料角反射面的高增益高效率双圆极化Fabry-Perot天线设计

基于射线跟踪模型,提出了一种超材料角反射面结构,实现了Fabry-Perot天线增益和口径效率的提升.首先对基于超材料角反射面的Fabry-Perot天线进行了理论推导和分析.然后,设计并分析了双圆极化馈源、基于超材料角反射面的Fabry-Perot天线及其性能.最后,对所提出的Fabry-Perot天线模型进行了制造和测试.结果表明,该天线的左圆极化增益和右圆极化增益分别为21.4 d Bi和21.3 d Bi.相比馈源天线,增益分别提高了16.4 d B和16.3 d B.与传统Fabry-Perot天线相比,所提出超材料角反射面同时充当了反射面和相位校正面,实现了对Fabry-Perot天线边缘电磁波的有效调控.所设计Fabry-Perot天线工作在2.8 GHz频段,具有高增益、高口径效率和低旁瓣的优点,满足了太阳射电望远镜F107指数观测的需求.     

基于极化转换超表面的宽带低雷达散射截面缝隙天线阵

提出了一种利用极化转换超表面(PCM)来缩减雷达散射截面(RCS)并保持缝隙天线阵列辐射特性的新型天线,在不影响天线性能的情况下实现了天线的宽带RCS缩减。该PCM由45°倾斜的开槽矩形贴片周期排布构成,它被放置在缝隙阵列天线的上表面,起到RCS缩减的功能。分析了RCS缩减的特点和原理,仿真和实验结果表明,带有PCM的缝隙天线阵在x极化和y极化波冲击下,单站RCS缩减带宽为8.0～21.8 GHz。同时天线的辐射特性在阻抗带宽、增益和辐射模式等方面都能保持良好性能。     

一种高增益低雷达散射截面的新型圆极化微带天线设计

设计了一种基于人工电磁材料覆层的高增益低雷达散射截面(radar cross section, RCS)圆极化微带天线. 人工电磁材料覆层是由介质板及其两侧的人工周期表面构成, 上表面是加载集总电阻的方环贴片, 具有宽带吸波特性; 下表面是开条带缝和圆环缝的金属贴片, 具有部分反射特性. 将其加载到圆极化微带天线上方, 通过覆层上表面的电阻可吸收入射的雷达波, 结合下表面与接地板构成Fabry-Perot谐振腔的多次反射, 可实现圆极化微带天线辐射和散射性能的同时改善. 实测结果表明: 加载人工电磁材料覆层后, 天线的相对轴比带宽由5.9%扩展为7.1%; 天线增益在整个工作频带内都得到了提升, 最大提高了6.61 dB; 天线RCS在宽频带宽角域内实现了明显的减缩, 在天线工作频带内也实现了3 dB以上减缩. 实测结果与仿真结果符合较好.     

基于时间反演电磁波的微结构天线的单频点超分辨力聚焦研究

提出了在时间反演技术条件下单频的电磁波信号可以实现超分辨力聚焦这一思路,并基于信道理论推导了该思路的可行性;基于传统的同轴探针结构建立了间距为1/4波长的微结构模型,仿真结果证实了该模型结合时间反演技术在单频信号和宽带信号激励时均可以表现出超分辨力聚焦特性,理论分析和仿真结果为单频以及多频带天线的超分辨力聚焦特性的研究提供了重要的指导作用。     

一种基于开口谐振环的高增益端射天线设计

基于开口谐振环(split-ring resonator, SRR)奇异的电磁特性, 设计并制备了一种覆盖C和X波段的高增益SRR-Vivaldi端射天线. 采用等效分析方法对SRR结构谐振特性进行了研究, 并将其应用于传统Vivaldi天线指数渐变槽线前方, 使SRR结构形成特殊谐振能力的引向器, 将天线表面电流集中于端射方向, 在保证天线尺寸和带宽不变的前提下, 实现了天线增益的有效提升. 仿真和测试结果表明, 新型SRR-Vivaldi天线在C波段增益平均提高75.44%, xoy面和xoz面半功率波束宽度都缩减20°以上; 在X波段增益平均提高24.46%, xoz面半功率波束宽度大约缩减25°. 该结构具有低成本、设计简单、便于加工、利于共形等优点, 为端射天线提高增益和增强定向性提供了新思路.     

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.     

基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究

基于硅纳米块阵列和亚波长金属光栅,硅纳米块长轴与金属光栅夹角为45°,本文设计了一种高效、宽带偏振转换结构.模拟计算表明该结构实现了线偏振光90°旋转,在3.4—4.5μm波段偏振转换率大于60%,在3—5μm光谱范围内的转换对比率大于10~4.由于该结构光学性能优异,制备难度低,可以应用于光传输控制.     

用于胶囊内窥镜的宽频圆极化石墨烯天线设计

为了提高胶囊内窥镜天线的工作性能,提高天线抗干扰能力和兼容性,进一步缩小尺寸,设计了一种基于石墨烯的用于胶囊内窥镜的宽频圆极化天线。该天线由3层辐射单元和地板构成,利用石墨烯薄膜优良的导电性能,制作天线的各层辐射单元和地板以有效增强胶囊天线的工作带宽与增益,提高传输效率并降低损耗。通过4个短路探针使第1层与第2层辐射单元相连接,构成复合螺旋天线,进而产生圆极化特性,既能减少误码率又能抑制多径干扰,并且能够更加高效地耦合电磁能量,有效改善阻抗匹配并调节圆极化纯度。详细分析了第1层、第2层和第3层辐射单元开口圆环尺寸、石墨烯薄膜厚度、天线摄入环境(胃、小肠、结肠等)对天线性能的影响。测试结果表明,设计的体积仅为π×4.52×1.905 mm3,阻抗带宽为2.2～2.78 GHz,轴比带宽为2.26～2.66 GHz,增益为-22.9 dBi,实际测量与仿真结果吻合良好,工作频段内辐射特性稳定,与现有技术相比,本文设计天线外形兼容性强,功能带宽更宽,具有宽频带、圆极化、抗干扰、电磁兼容性好、体积小等特点。该天线适用于ISM 2.4 GHz频段,能满足胶囊内窥镜摄入不同消化器官的工作要求。     

基于石墨烯超表面的宽带电磁诱导透明研究

提出了一种新的基于石墨烯超表面的复合结构,该结构由带有空气槽的石墨烯条、氮化镓、二氧化硅和二氧化钛组成.通过时域有限差分法研究了该结构的电磁特性,研究结果表明,该结构具有更宽频带的电磁诱导透明特性.从结构参数、电磁场分布等方面研究了电磁诱导透明的物理机理.在该结构中,石墨烯条作为明模存在,耦合作为暗模的空气槽和氮化镓侧板,即存在两种明暗模耦合的现象,因此产生宽带的电磁诱导透明现象.从研究结果发现该结构可以产生多个频点的慢光效应和传感效应,因此在光存储、红外波段的传感器设计中具有一定的指导意义和潜在的应用.     

高功率单层径向线螺旋阵列天线的设计与模拟

 在研究磁探针耦合特性的基础上，设计了中心频率为4.0 GHz的3圈36单元高功率单层径向线螺旋阵列天线，各圈距中心位置分别为45，90，135 mm，单元个数分别为6，12，18。该天线采用磁探针代替电探针给短螺旋单元天线馈电，通过同轴-径向线模式转换器实现径向线TEM外行波激励，采用调整磁探针的探入深度和绕轴旋转短螺旋单元天线的方法改变单元的激励幅度与激励相位。数值模拟结果表明：该口径为324 mm的天线在中心频率上可获得21.58 dB的增益，口径效率可达78.2％，轴向轴比值为1.73；在3.8～4.2 GHz的频率范围内增益大于20.85 dB，口径效率大于73.2％，轴向轴比值小于2.0，反射系数小于0.27，辐射效率大于93%。     

温度电压双可控宽带太赫兹极化转换/吸收超表面

提出了一种基于二氧化钒（VO₂）和石墨烯材料的温度电压双可控宽带极化转换/吸收超表面。通过调控超表面中VO₂和石墨烯的电导特性能够实现对极化转换和吸收功能的控制。结果显示：当VO₂处于金属态且石墨烯处于绝缘态时,超表面工作在宽带极化转换模式,在1.57～2.49 THz范围内可实现线极化转换功能;当VO₂处于绝缘态且石墨烯处于金属态时,超表面的工作状态切换为吸收模式,在1.56～2.99 THz范围内的吸收率均大于90%;极化转换和吸收性能可以分别通过控制VO₂的温度和石墨烯的偏置电压来调控。此外,通过本征模、阻抗匹配理论和电流磁场分布解释了该超表面的工作原理,并讨论了其工作性能在不同结构参数和入射角度下的稳定性。