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人工电磁表面是一种新型的二维或准二维人工电磁结构，通常由亚波长微结构单元组成，有序设计可实现灵活调控电磁波的传播特性。反射型人工电磁表面作为电磁场与微波技术领域的新概念、新方法和新手段，近年来快速兴起并迅速发展。本文以反射型人工电磁表面的研究为基础，针对轨道角动量涡旋电磁波、近场电磁聚焦以及人工电磁表面的数字化等应用背景，寻找研究切入点和创新点。携带轨道角动量的涡旋电磁波作为一种具有极大应用潜力的新通信方式，具有很大的研究意义和研究价值，将新型人工电磁表面的相关理论和概念应用于涡旋电磁波的产生技术，将为无线电频段拥塞问题的解决提供可能。电磁聚焦传输技术可广泛应用于无线输电、射频识别、电磁理疗等领域，可以作为一种重要的技术手段，亦作为定向能武器使用，因此开展电磁聚焦传输技术研究具有重要的战略意义。由于新型人工电磁表面可以自由灵活调控电磁波，将其用于电磁聚焦天线的设计具有很好的优势。数字化人工电磁表面，是近年来新型人工电磁表面设计技术的新革命，将为人工电磁表面及其应用带来新的可能。本文具体的研究内容包括以下几个方面： 1.基于反射型人工电磁表面的轨道角动量涡旋电磁波的产生技术研究。本文研究了涡旋电磁波在空间中的结构和相位分布特征的表现方式。借鉴光学涡旋的概念，讨论了轨道角动量涡旋电磁波的本征模态与波型特性，详细分析轨道角动量的物理产生机理，深入研究了反射型人工电磁表面和涡旋电磁波的基本理论，创新性地提出了采用反射型人工电磁表面产生涡旋电磁波的新机理和新方法，并利用印刷三振子结构，实际分析、加工并测试了一款工作于5.8GHz模态为2的轨道角动量涡旋电磁波产生装置，同时研究了不同模态涡旋电磁波产生的关键技术，并分析了轨道角动量涡旋电磁波传播的近远场传播特性。 2.多模轨道角动量涡旋电磁波产生技术研究。本文在利用单个反射型人工电磁表面产生单一轨道角动量涡旋电磁波束的基础上，进一步提出了利用单个反射型人工电磁表面产生多个模态不同的轨道角动量电磁涡旋的方法，这可为将来无线通信中涡旋电磁波的复用和不同模式的信道调制提供理论基础；同时，提出了采用正交振子单元的双极化轨道角动量涡旋波束产生方法，实验结果显示，产生的轨道角动量涡旋电磁波，可实现在水平极化方向上模态数为1，在垂直极化方向上模态数为2。因为极化正交，所以互不干扰。因而在同一频带内，可以发射或接收两种不同信号，该方法可为将来轨道角动量无线通信系统中极化复用提供理论基础。 3.基于反射型人工电磁表面的轨道角动量涡旋电磁波的检测与接收。如何才能有效地探测和接收轨道角动量涡旋电磁波是国内外研究的热点问题。本文首先讨论了现有轨道角动量模式的检测方法，在基于反射型人工电磁表面的涡旋电磁波产生技术的基础上，进一步分析了涡旋电磁波的传输特性，并深入研究了基于反射型人工电磁表面的涡旋电磁波检测和接收方法。针对单模态涡旋电磁波的接收，在近场条件下分析了基于反射型人工电磁表面的三发三收的轨道角动量涡旋电磁波传输系统，验证了不同模态信道间的隔离特性，同时，实验研究了基于反射型人工电磁表面的混合轨道角动量模态检测与接收方法。 4.基于人工电磁表面的近场电磁聚焦传输技术研究。具有电磁聚焦特性的天线需要在口径面上形成特定的相位分布，由于人工电磁表面在调制电磁波相位分布方面具有独特优势，因而将人工电磁表面技术应用于电磁聚焦传输是一个较有潜力的研究方向。本文以反射型人工电磁表面的基本理论为基础，分析了反射型人工电磁表面实现电磁波聚焦的可行性。针对馈源数量和焦点数量的不同配置，分析了单馈源单焦点、单馈源多焦点、多馈源单焦点、多馈源多焦点等四种情况，详细给出了电磁表面所需提供相移补偿的理论公式，并讨论了聚焦型电磁表面的一般设计理论。为了进一步验证设计的有效性，本文采用三振子结构设计了两块阵面大小为50cm×50cm工作于5.8GHz的聚焦电磁表面，其中一个是单馈源单焦点情况，另一个是单馈源双焦点情况。平面近场扫描实验结果显示，本文提出的方法可以有效实现较好的近场电磁聚焦特性。此外，本文还讨论了具有近场聚焦特性的磁谐振无线能量传输系统的等效近零介电常数特性和隧穿效应。 5.数字化反射型人工电磁表面研究。传统的反射型人工电磁表面通常由一系列单元组成，而这些单元通常具有连续变化的反射相位特性，数字人工电磁表面与传统的人工电磁表面相比，其最大的区别在于单元数字化概念的引入，比如，1-Bit情况对应的单元只有“0”和“1”两种类型，而2-Bit则对应“00”、“01”、“10”、“11”四种类型。通过在人工电磁表面上有序排列这些数字化反射单元，我们可以得到不同功能的反射波束特性。本文讨论了宽带数字化反射表面的设计方法，提出了一种非谐振结构的宽带1-Bit数字化反射单元，给出“0”、“1”数字化单元的选择方法和数字化模糊相位分布的计算方法。由于本文提出的“0”单元是非谐振结构，具有平滑且高度线性的同向反射特性，因此具有较好的宽带响应。为了验证设计的正确性，本文实际加工了一款阵面尺寸30cm×30cm的数字化反射表面，实测结果显示，-1dB带宽约25％，覆盖8.4 GHz到10.8 GHz，具有很好的宽带特性。数字化反射表面概念的提出，可以大大简化反射表面的设计，同时可以为将来集成 PIN开关和可编程逻辑阵列的引入提供理论基础。