超材料透鏡和超表面對電磁波的調(diào)控及應用.pdf

1、超材料由周期或非周期排布的亞波長的人工單元構成，具有超常的電磁特性。因其可實現(xiàn)對電磁波的任意調(diào)控，因而受到了越來越廣泛的關注，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現(xiàn)形式。其中超材料透鏡是由較多人工單元構成的三維結構，當電磁波在其中傳播時受到超材料的調(diào)控。而超材料的二維形式稱為超表面，其具有低剖面、低損耗、易于設計與實現(xiàn)等優(yōu)點，越來越受到研究者的關注。本文研究超材料透鏡和超表面對電磁波的調(diào)控及其應用

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

3、3dBi、副瓣電平均低于-26dB，達到了設計指標，證明了利用漸變折射率超材料透鏡調(diào)控口面場幅相的有效性。
　　通過喇叭內(nèi)部加載超材料透鏡實現(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TE10模式，其幅度近似均勻分布而相位為準球面波分布的特點導致其E面旁瓣較高。在喇叭內(nèi)部通過加載超材料透鏡可將口面場振幅分布調(diào)控為錐削分布、相位調(diào)控為平坦分布，從而實現(xiàn)其旁瓣電平抑制。試驗中，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，實現(xiàn)了寬帶貝塞爾波束。設計超材料透鏡的折射率分布，從而實現(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)域形成截斷貝塞爾波束。該貝塞爾波束透鏡具有工作頻帶寬、轉(zhuǎn)換效率高、傳播距離遠等優(yōu)點。
　　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。一比特編碼超材料由兩種反射相位相差180度的人工單元構成（稱為“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度的人工單元構成（分別稱為“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，實現(xiàn)“0”單元和“1”單元的狀態(tài)切換?；谶@一單元，設計了數(shù)字超表面，其每個單元可以是“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上引入數(shù)字控制，每個單元的特性是數(shù)字可控的。在此基礎上采用可編程邏輯陣列對各個單元的狀態(tài)實現(xiàn)現(xiàn)場編程控制，從而實現(xiàn)可編程超材料。數(shù)值仿真和初步實驗證實了上述概念和物理現(xiàn)象。
　　利用編碼超表面實現(xiàn)了微波和太赫茲波的異常反射。編碼超表面通過編碼對入射電磁波產(chǎn)生了不同于常規(guī)的異常反射。通過超表面一比特編碼實現(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。在此基礎上，通過沿超表面兩個方向單獨編