超材料透鏡和超表面對(duì)電磁波的調(diào)控及應(yīng)用.pdf

1、超材料由周期或非周期排布的亞波長(zhǎng)的人工單元構(gòu)成，具有超常的電磁特性。因其可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的任意調(diào)控，因而受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，涌現(xiàn)出一大批基于超材料研發(fā)的功能器件。超材料透鏡和超表面是超材料的兩種典型實(shí)現(xiàn)形式。其中超材料透鏡是由較多人工單元構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波在其中傳播時(shí)受到超材料的調(diào)控。而超材料的二維形式稱(chēng)為超表面，其具有低剖面、低損耗、易于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。本文研究超材料透鏡和超表面對(duì)電磁波的調(diào)控及其應(yīng)用

2、，主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　利用漸變折射率超材料透鏡在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)口面場(chǎng)幅度和相位的同時(shí)調(diào)控。通過(guò)控制漸變折射率透鏡的折射率分布，利用射線追蹤原理計(jì)算超材料透鏡內(nèi)部和透鏡出射面的射線分布，根據(jù)能量守恒原理計(jì)算出口面場(chǎng)的幅度分布、路徑積分計(jì)算射線光程獲得透鏡口面相位分布。通過(guò)優(yōu)化折射率分布，從而實(shí)現(xiàn)透鏡表面特定的幅度和相位分布。加工和測(cè)試了一工作于整個(gè)Ku波段的基于超材料的高增益低副瓣透鏡天線，在整個(gè)Ku頻段內(nèi)增益高于25.

3、3dBi、副瓣電平均低于-26dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，證明了利用漸變折射率超材料透鏡調(diào)控口面場(chǎng)幅相的有效性。
　　通過(guò)喇叭內(nèi)部加載超材料透鏡實(shí)現(xiàn)角錐喇叭天線的旁瓣抑制。角錐喇叭天線口面幅度分布為準(zhǔn)TE10模式，其幅度近似均勻分布而相位為準(zhǔn)球面波分布的特點(diǎn)導(dǎo)致其E面旁瓣較高。在喇叭內(nèi)部通過(guò)加載超材料透鏡可將口面場(chǎng)振幅分布調(diào)控為錐削分布、相位調(diào)控為平坦分布，從而實(shí)現(xiàn)其旁瓣電平抑制。試驗(yàn)中，在喇叭天線內(nèi)部加載一漸變折射率超材料透鏡，在不增

4、加天線體積情況下實(shí)現(xiàn)了寬帶低旁瓣喇叭天線。
　　利用超材料透鏡將饋源輻射的球面波轉(zhuǎn)化為錐面波，實(shí)現(xiàn)了寬帶貝塞爾波束。設(shè)計(jì)超材料透鏡的折射率分布，從而實(shí)現(xiàn)將饋源發(fā)射的球面波直接轉(zhuǎn)化為錐面波，該錐面波束在距離透鏡出射面一定距離的空間區(qū)域形成截?cái)嘭惾麪柌ㄊ?。該貝塞爾波束透鏡具有工作頻帶寬、轉(zhuǎn)換效率高、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
　　提出編碼超材料、數(shù)字超材料和可編程超材料的概念。編碼超材料不同于傳統(tǒng)的“模擬”超材料的周期排布或漸變非周期排

5、布，由若干種單元按照編碼的方式排布，不同的編碼具有不同的電磁響應(yīng)。一比特編碼超材料由兩種反射相位相差180度的人工單元構(gòu)成（稱(chēng)為“0”單元和“1”單元），兩比特編碼超材料由四種反射相位相差90度的人工單元構(gòu)成（分別稱(chēng)為“00”單元，“01”單元，“10”單元和“11”單元）。創(chuàng)新性提出了一種超材料單元，該單元由偏置二極管控制，實(shí)現(xiàn)“0”單元和“1”單元的狀態(tài)切換?；谶@一單元，設(shè)計(jì)了數(shù)字超表面，其每個(gè)單元可以是“0”單元態(tài)或“1”單元態(tài)

6、。數(shù)字超材料是在編碼超材料的基礎(chǔ)上引入數(shù)字控制，每個(gè)單元的特性是數(shù)字可控的。在此基礎(chǔ)上采用可編程邏輯陣列對(duì)各個(gè)單元的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)編程控制，從而實(shí)現(xiàn)可編程超材料。數(shù)值仿真和初步實(shí)驗(yàn)證實(shí)了上述概念和物理現(xiàn)象。
　　利用編碼超表面實(shí)現(xiàn)了微波和太赫茲波的異常反射。編碼超表面通過(guò)編碼對(duì)入射電磁波產(chǎn)生了不同于常規(guī)的異常反射。通過(guò)超表面一比特編碼實(shí)現(xiàn)多種異常反射:多波束反射、寬波束反射以及雙波束掃描反射等。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)沿超表面兩個(gè)方向單獨(dú)編