全息人工阻抗表面对调控电磁波辐射特性的研究

• 作 者: 姚鸣
• 出 处: 电子科技大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 全息人工阻抗表面 电磁波调控 极化 波束重构 功率合成

本文通过研究全息人工阻抗表面的性质与特点,即全息人工阻抗表面对电磁波的调控作用,为电磁波的辐射尤其是极化方面的相关应用进一步打下基础。在介绍全息人工阻抗表面的发展过程和国内外研究现状基础上,结合若干人工阻抗调制表面的设计实例,指出全息阻抗表面的设计方法。并在总结全息人工阻抗表面的现存问题及用于电磁领域的优势和不足基础上,从三个层面探索了全息人工阻抗表面在电磁领域的潜在应用性,同时研究了对电磁波的调控特性与作用规律,为全息人工阻抗表面用于无线通信等领域夯实基础。首先,本文从光学全息理论出发,探究了波束重构的全息表面工作原理与实现方法。在此过程中,首次提出了基于“阻抗逼近”的重构方法,避免了复杂的控制网络;通过改进的阻抗调制方程,解决了主波束分裂问题;基于重构蘑菇状高阻抗表面实现对旁瓣的调控,据此设计了一款可重构俯仰角为-70°,-60°,-40°,0°,40°,60°和70°的太赫兹全息人工阻抗表面。此研究解决了现存全息人工阻抗表面的两个缺陷:旁瓣问题和控制网络的复杂度,并论证了全息人工阻抗表面对电磁波的调控作用及用于电磁通信领域的优势。其次,为进一步探索全息人工阻抗表面对电磁波的调控作用,提出并实现了共口径宽带双频双圆极化全息人工阻抗表面,采用顺时针和逆时针的布阵方案实现共口径的左旋与右旋圆极化同时辐射。该研究通过张量表面实现对电磁波的调控,分析了二阶张量表面阻抗各分量与电磁场之间的关系,进而采用等效阻抗法简化实现过程。该研究有效解决了全息表面的“波束频扫”问题,并总结归纳了用于实现圆极化辐射波的张量全息人工阻抗表面对电磁波的调控规律,再次验证了在电磁领域的应用潜力。最后,针对实际工程中的更高功率应用场景,采用空间功率合成方法研制了一款毫米波空间功率合成的全息人工阻抗表面。探究了多馈源下全息表面对电磁波的调控作用,并对影响功率合成的因素进行了分析优化。相关研究为开拓全息表面在电磁领域的进一步应用潜能及调控电磁波行为提供了有价值的借鉴与参考。