14911.相位非連續(xù)人工電磁表面電磁波調(diào)控研究

1、國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)：TM154學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)：654密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)博士學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文位論文相位非連續(xù)人工電磁表面電磁波調(diào)控研究博士研究生：丁旭旻導(dǎo)師：吳群教授副導(dǎo)師：張狂副教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：微電子學(xué)與固體電子學(xué)所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2015年12月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I摘要對(duì)電磁波傳播進(jìn)行精確的人工調(diào)控是當(dāng)代電磁學(xué)最具有挑戰(zhàn)性的課題之一。傳統(tǒng)光學(xué)器件以及近年來(lái)研究熱點(diǎn)之一的人工電磁媒質(zhì)，都

2、是采用三維結(jié)構(gòu)的器件對(duì)電磁波的傳播狀態(tài)進(jìn)行一定的調(diào)控，它們都依賴于電磁波傳播過(guò)程中形成的累積相位差，這使得電磁波人工調(diào)控器件很難實(shí)現(xiàn)平面化，且厚度不能任意減小，從而導(dǎo)致重量和加工工藝等方面的限制，使得器件難以與其他組件集成。相位非連續(xù)人工電磁表面的提出為解決上述瓶頸問(wèn)題提供了一種可行的方法，它通過(guò)人工電磁表面上分布的相位突變單元在電磁波的傳播過(guò)程中引入相位突變，來(lái)替代傳統(tǒng)器件中的累積相位差。利用超薄人工電磁表面替代傳統(tǒng)器件的三維曲面或平

3、板結(jié)構(gòu)，能夠極大程度上減小電磁波調(diào)控器件的尺寸及重量，進(jìn)而有效地提高器件的實(shí)用性和系統(tǒng)的集成化。本文對(duì)微波波段相位非連續(xù)人工電磁表面機(jī)理展開(kāi)研究，提出其工作性能的優(yōu)化方法，并設(shè)計(jì)了一系列基于相位非連續(xù)人工電磁表面的新型電磁波人工調(diào)控器件，為相位非連續(xù)人工電磁表面的工程實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。首先結(jié)合龐加萊球理論，分析了電磁波經(jīng)歷不同方式的極化轉(zhuǎn)化過(guò)程中伴隨的傳輸相位變化的特性與規(guī)律。利用此相位突變特性，代替?zhèn)鹘y(tǒng)透鏡中的累積相位差，構(gòu)造出單層超

4、薄的相位突變單元。理論上證明了圓極化波入射的情況下，透射場(chǎng)中交叉極化分量轉(zhuǎn)化效率的理論極限值。其次，在微波波段設(shè)計(jì)了小型化縫隙結(jié)構(gòu)相位突變單元，其透射場(chǎng)中交叉極化波轉(zhuǎn)化效率在諧振頻點(diǎn)處可以逼近理論極限值。利用此相位突變單元，進(jìn)一步設(shè)計(jì)微波波段異常折射人工電磁表面。對(duì)此透鏡進(jìn)行理論、仿真和測(cè)試研究，透射場(chǎng)中交叉極化分量的傳播方向符合廣義折射率的預(yù)測(cè)，并且在諧振頻點(diǎn)處，透鏡交叉極化波轉(zhuǎn)化效率接近理論極限值。首次在微波波段實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于相位非

5、連續(xù)人工電磁表面的高效電磁波異常折射透鏡。通過(guò)進(jìn)一步的研究，從兩種不同的理論途徑上對(duì)相位非連續(xù)人工電磁表面的工作帶寬進(jìn)行優(yōu)化，使其不僅在諧振頻點(diǎn)處，并且在較寬的工作頻帶內(nèi)，透射場(chǎng)交叉極化波轉(zhuǎn)化效率保持接近理論極限值。有效地拓寬了相位非連續(xù)人工電磁表面的工作帶寬，為人工電磁表面的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。接著以相位非連續(xù)人工電磁表面為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)相位突變單元在x軸向引入曲面透鏡相位分布，并且利用相位突變單元對(duì)不同旋向圓極化波引入相位突變量符號(hào)相