【摘 要】
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极化是电磁波重要特性之一,它传播着电磁波重要信息。随着现代通信系统日趋庞大与复杂,对电磁波的极化要求也越来越高,许多实际应用都迫切需要完全控制电磁波的极化状态。传统的极化控制多采用具有双折射特性的天然材料来实现,例如结晶固体、液晶等,这些材料存在厚度过厚、工作频段过窄和极化调控效率低等缺点,不易于集成到实际应用系统中。近年来,人工电磁结构作为一种具有奇异物理特性的新型材料,在电磁学研究领域掀起了一
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极化是电磁波重要特性之一,它传播着电磁波重要信息。随着现代通信系统日趋庞大与复杂,对电磁波的极化要求也越来越高,许多实际应用都迫切需要完全控制电磁波的极化状态。传统的极化控制多采用具有双折射特性的天然材料来实现,例如结晶固体、液晶等,这些材料存在厚度过厚、工作频段过窄和极化调控效率低等缺点,不易于集成到实际应用系统中。近年来,人工电磁结构作为一种具有奇异物理特性的新型材料,在电磁学研究领域掀起了一股热潮。人工电磁结构在通信、雷达、导航、医学成像等领域有着重要的应用前景,这些广泛应用也反过来加速了人工电磁结构的发展。特别是超表面,也称二维人工电磁结构,拥有损耗低、厚度薄、易加工、易集成等优势,它的出现为电磁波的极化控制开辟了全新的技术途径。本文以人工电磁结构调控电磁波的极化特性和非对称传输效应为研究内容,围绕提高极化调控器件的几项重要指标:结构尺寸、工作带宽、极化转换效率,展开了在微波段的反射型和传输型极化调控人工电磁结构的模型建立、优化仿真、特性分析、机理解释以及实验验证等一系列研究工作,提出了多种高性能宽带的极化调制人工电磁结构模型,并完善了极化调控人工电磁结构的设计方法和极化调制机制理论。本文主要工作和创新点如下:（1）深入研究人工电磁结构调控电磁波极化特性、非对称传输效应以及物理机制,以线性极化旋转器、线变圆极化转换器单元结构设计为研究对象,根据电磁波在人工电磁结构中的电、磁响应特性,展开了对人工电磁结构极化调制的等效电路、几何参数、谐振频率等基本理论、机理分析、设计方法、仿真计算以及实验验证方法的研究,为高效、超薄、宽带的极化调控超表面设计提供理论支撑。（2）提出了一种基于%形结构高效的反射型极化旋转人工超表面。针对传统极化调制材料体积大,不易集成、工作带宽窄等问题,利用斜对称图案的多次谐振思想设计、建立电磁波极化态与超表面阻抗特性之间的关系,实现该结构在X波段和Ku波段电磁波不同极化模式的设计。仿真和实验表明,该结构在72%的相对带宽内可以将98%的入射波极化态转换为其正交的极化态形式,对应的极化消光比大于30d B。同时,该结构厚度仅为0.11λ（λ是工作中心频率点对应波长）,具备宽角度入射相对稳定的特性。（3）提出了一种高效宽带的线变圆极化转换人工超表面。针对现有的线极化到圆极化转换材料大多工作在高频波段且带宽较窄等现状,基于等效电路理论和传输线理论,在经典的耶路撒冷十字结构上进行改进,设计出一种双对角线对称结构。仿真和实验表明,该结构可以在12.4GHz带宽内将线极化入射波转换成圆极化反射波,3d B的相对带宽达到94%。通过分析结构的表面电流分布和电场情况,解析单元结构电磁谐振与极化转换的关系,得到形成宽频带的产生机制,为今后超薄宽带线变圆极化调制超表面设计提供了一种重要的手段。同时,这种设计可以向高频段扩展。（4）提出了一种超宽带非对称传输极化旋转超表面。针对目前非对称传输性器件工作带宽较窄和传输效率低等现状,研究非对称性传输极化调制结构的构建理论和设计方法。基于Babinet互补原理,设计多裂缝方形环结构,建立基于互补结构的等效电路模型,得到单元结构参数调控影响电磁波极化模式的设计方法。然后,采用最简单的六边形开口谐振环,研究谐振效应对电磁波极化状态的影响。仿真结果表明,在X波段具有单向的极化转换特性。在六边形开口谐振环结构的基础上,基于类Fabry-Perot谐振腔原理,通过增加亚波长金属光栅来降低介质基板材料损耗和加大工作带宽,设计了具有选择特性、超宽带、高转换率的极化旋转超表面结构。仿真和实验表明,该结构实现极化旋转的相对带宽达到115%,同时入射角在30o以内相对稳定。该结构的带阻和带通特性,对选择性极化调控超表面在微波开关器件的应用具有重要意义。
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