基于超表面的圆柱形透镜及其在天线增益增强中的应用研究

作     者：周文君 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尚玉平

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：波束聚焦 柱形透镜 相位梯度超表面 高增益天线 透镜天线 

摘      要：天线作为无线通信系统中用于辐射或接收电磁波的部件,是无线通信链路中的重要环节。透镜天线因其波前转换、高增益等特点而被广泛地应用于雷达探测、卫星通信等无线电领域。电磁透镜是透镜天线的一个重要组件,可将非平面波前有效转换为平面波前,从而提高馈源天线的增益。传统的电磁透镜主要依靠其介质参数和形状的渐变来调节射线路径长度,从而实现波前变换所需的相位补偿,这意味着在电磁波传播方向上传统电磁透镜具有较大的厚度。传统电磁透镜的厚剖面可能会限制其在移动平台上的集成与应用。超表面具有电磁波调控灵活性以及低剖面的特点,有助于实现电磁透镜的低剖面设计与共形集成,研究基于超表面的电磁透镜具有重要的应用价值。本文以广义折射和反射定律为基础,提出了基于无源超表面的圆柱形透镜设计,并在此基础上研究了具有低剖面与高增益特点的圆柱形超表面透镜天线。具体地,推导了基于无源超表面的圆柱形透镜的工作原理与设计公式,研究了透射型与反射型圆柱形透镜相对于馈源天线的增益提升效果,主要的研究工作如下:首先推导了透射型的圆柱形超表面透镜应满足的透射相位梯度和离散的透射相位分布表达式。采用缝隙结构作为超表面基本单元,对所计算的透射相位离散值进行实现。通过调节单元内部尺寸,在360°相位变化范围内实现透射相位离散值,同时保持传输系数幅度大于0.7。将确定尺寸的各单元共形地构建于圆柱表面上,获得透射型的圆柱形超表面透镜。进一步,将该单元结构进行调整,实现了分别具有单极化、双极化工作能力的透射型圆柱形超表面透镜。当平面电磁波照射时,均在焦点处观察到了聚焦电场强度。为了分析透射型的圆柱形超表面透镜对天线辐射增益的提升效果,在透镜焦点处放置了一副作为馈源的微带贴片天线单元,由此获得圆柱形超表面透镜天线。与馈源天线相比,单极化圆柱形透镜天线可在工作频率10 GHz处将横磁极化的主瓣增益提高11.4 d B。对于双极化圆柱形透镜天线,与馈源天线相比,在工作频率10 GHz处,横电和横磁两种极化辐射的主瓣增益分别提高了11.23 d B和11.44 d B。并通过实验测量,验证了设计的有效性。采用类似的设计步骤,以广义反射定律为基础,设计了一种反射型的双极化圆柱形超表面透镜。与透射型透镜不同的是,反射型透镜在圆柱表面上的覆盖区域与焦点位置密切相关。采用方环结构来实现沿圆周方向变化的反射相位梯度,对于横电和横磁两种极化的平面电磁波照射,均在焦点处观察到了聚焦电场强度。对于辐射增益提升效果,全波仿真结果表明,与馈源天线相比,在10 GHz工作频率处,透镜天线可将横电和横磁两种极化辐射的主瓣增益分别提高5.92 d B和5.83 d B。