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[学位]

电磁超表面的机理分析及应用研究

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Author:

刘晓波 (刘晓波.)

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学位论文库

Abstract:

超表面一般是将周期性的金属结构腐蚀印刷在介质基板之上。基于金属结构的电磁谐振,超表面可以实现传统材料所不能实现的电磁性能,例如极化转换、异常反射、表面等离激元耦合等。这些特性使得超表面在微波器件、天线、传感器设计等方面具有重要的应用价值。本文主要研究了亚波长超表面的物理机理,并以此来指导超表面的应用设计,具体工作和主要成果有以下几个方面:
1) 基于网络理论的亚波长超表面机理研究。首先,在金属结构界面提出了一种矩阵形式的广义Fresnel公式,并针对金属条结构发展了等效电路法来确定其表达式。然后,针对斜入射波下的反射型超表面,发展了一种切向网络传输理论,通过无穷矩阵级数来求和多次的反射与透射波。最后,针对多层透射型超表面,为了解决无穷矩阵级数求和的数学困难,提出一种四维特征矩阵理论,以建立不同介质层(金属结构)上下界面的总切向场关系,从而直接反演出超表面的总反射与透射矩阵。
2)超表面极化转换器的多波段化与解析化设计研究。在多波段化方面,主要是通过组合不同大小的各向异性金属结构,增加其谐振频点,从而扩展极化转换的波段,实现了一种三波段极化转换器。在解析化设计方面,先通过切向网络传输理论获得极化转换器的总反射矩阵,其包含了单元结构的电参数;再利用理论推导和仿真拟合获得了电参数的解析表达式;最后,由总反射矩阵反演确定单元结构的几何参数,从而完成解析化设计,提高了设计效率。
3)基于Babinet原理的互补超表面研究。传统的Babinet原理要求介质是均匀的或者周期性金属结构是各向同性的。针对不同介质分界面上的周期性互补金属结构,基于已有的Babinet原理提出了三种物理模型。模型一和模型二均基于一种广义的Babinet原理,其可以应用于不同介质分界面上互补的电盘与磁盘;前者要求介质不变而磁盘对偶,后者要求介质与磁盘均对偶;在求得对偶电盘(假定为金属条结构)的场后,即可确定互补的金属缝隙结构在边界上的切向透射矩阵;在入射角不是很大的情况下,这两种理论给出了可靠的结果。为了实现大角度下的理论分析,模型三在互补金属结构的界面引入了一层厚度趋于零的有效介质,从而为周期性互补金属结构提供了合适的边界条件关系,并由此给出了可行的数学分析框架,理论结果与仿真结果在大角度入射下高度吻合。
4)梯度超表面的机理研究与应用设计。首先,构造了一种折射率梯度超表面,从几何光学角度出发,证实了该表面依赖波程差实现了 “异常反射”和“表面波束缚”。然后,将折射率梯度超表面归结为一种特殊的相位梯度超表面,并利用金属谐振单元结构设计了一款相位梯度超表面,可以实现三波段极化无关的表面等离激元耦合。最后,根据电磁互易原理,通过设计合适的功分器馈源,表面等离激元耦合器也可以将表面波转化为平面波并高效地辐射出去,从而设计了一款工作在X波段的高增益、低剖面平板天线。

Keyword:

Babinet原理 表面等离激元平板天线 超表面 极化转换器 切向网络传输理论 四维特征矩阵理论 梯度超表面

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  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 博士

Mentor: 张安学

Year: 2018

Language: Other

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30 Days PV: 30

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