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频空二维可重构超表面的设计与应用研究

频空二维可重构超表面的设计与应用研究

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作者：刘光耀西安电子科技大学

学位级别：硕士

在“万物互联”的背景下,各类通信设备爆发式增长,频谱资源和空间资源变得极为紧张,研究人员试图利用频空复用技术解决现有频域和空间域中面临的问题。其中,频空二维超表面作为一类特殊的调制设备,可在两个维度上对电磁波进行调制,为现... 详细信息

在“万物互联”的背景下,各类通信设备爆发式增长,频谱资源和空间资源变得极为紧张,研究人员试图利用频空复用技术解决现有频域和空间域中面临的问题。其中,频空二维超表面作为一类特殊的调制设备,可在两个维度上对电磁波进行调制,为现有通信系统的发展提供了一种新的思路,具有重要的研究意义。本文以频空二维可重构电磁超表面的研究为基础,针对电磁波极化方向转换、波束动态扫描、轨道角动量涡旋电磁波生成、近场无线能量传输、透反射波前调控等应用背景,提出了几种新颖的多功能电磁调制表面,同时也引入极化调制策略来扩展这类共口径设备的功能。在确保不同功能互不干扰的前提下,超表面的口径利用率被极大的提高。此外,超表面加载的主动可调器件在物理材料和数字世界之间构筑起了桥梁,为表面的感知和交互提供了基础。本论文的主体工作如下:1.加载PIN二极管的频域可重构线到圆极化转换器的研究。通过调节二极管的通断状态,线到圆极化转换器可动态切换工作频段。一方面该可重构极化转换器可在5.13GHz-6.72 GHz范围内将x极化波或y极化波转换为左旋圆极化波或右旋圆极化波,3d B轴比相对带宽达26%,解决了可重构极化转换器工作带宽小的问题;另一方面该转换器具有良好的角度稳定性,可在激励入射角±30°的范围内保持稳定的极化转换性能。2.频域-空间域二维可重构超表面的研究。在频域中,可重构超表面具有极化选择,频率可重构极化转换和极化可重构三种主要的功能。设计中引入极化反转调制技术,使得超表面可在不同极化方向来波的激励下都能实现线到圆极化转化,并使反射圆极化波的旋向发生反转(左旋圆极化波变为右旋圆极化波,右旋圆极化波变左旋圆极化波)。在空间域中,该超表面可编程实现波束二维动态扫描、携带轨道角动量涡旋波和模式连续切换以及特殊散射波束的调控等多种功能。仿真计算结果和实验结果证明了可重构超表面在同一口径下可以实现不同的电磁波调制功能,为智能表面的设计奠定了基础。3.非极化调制的透-反射可重构超表面的研究。超表面的透射和反射状态完全主动可控,1-bit透射功能和1-bit反射功能分别被设计在两个频段,使得单元的两种功能互不干扰,具有良好的辐射性能。文中从单元结构、调制方法、分析优化以及实际测量等几个方面对该超表面的性能进行验证。这种超表单元可不依靠入射波的极化方向对其透射相位或反射相位进行实时调制,解决了传统透反射超表面的缺点;此外该超表面的剖面仅为0.09个波长,极大的提高了表面的可集成度,为透反射完全自主调控超表面设备的实现提供了新的方向。

关键词：可重构超表面频域可重构极化转换器频域-空间域可重构超表面透-反射可重构超表面可重构天线超表面阵列天线

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