【摘要】：可重構(gòu)人工電磁超材料和超表面是通過加載有源器件使得外部控制電路和超材料及超表面結(jié)合起來。能夠在固定物理結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下,通過改變控制電路輸出的電信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)超材料的特性變化或者超表面的波束掃描等功能。這種方法為調(diào)控電磁波提供了新的思路,在通信領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。本文圍繞超材料和由超材料衍生出的超表面,結(jié)合可重構(gòu)技術(shù),研究了可重構(gòu)超材料和超表面的分析方法和設(shè)計(jì)及應(yīng)用,本文的主要內(nèi)容及工作如下:1.首先介紹了本文的研究背景及意義,說明了超材料和超表面的概念以及發(fā)展歷史,并對(duì)可重構(gòu)技術(shù)做出了闡述,對(duì)目前能夠應(yīng)用于實(shí)際的各種可重構(gòu)超材料和超表面做出了重點(diǎn)的論述,這些為本文的設(shè)計(jì)提供了一些啟發(fā)和思路。2.主要講述了超材料的理論模型和等效媒質(zhì)參數(shù)提取算法以及超表面的工作原理和相位補(bǔ)償方式的計(jì)算,并對(duì)數(shù)字量化相位的分析方法做出了說明。最后介紹了超表面單元的分析方法。這些內(nèi)容為之后的可重構(gòu)超材料和可重構(gòu)透射電磁超表面的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。3.根據(jù)超材料的理論模型對(duì)兩種基礎(chǔ)模型進(jìn)行了深入的研究,之后基于可重構(gòu)技術(shù)在兩種基礎(chǔ)模型上加載變?nèi)荻䴓O管設(shè)計(jì)了一款具有頻率可重構(gòu)特性的雙負(fù)材料單元。通過控制其上的變?nèi)荻䴓O管兩端的電壓變化就可以調(diào)節(jié)整個(gè)回路的諧振頻率。之后設(shè)計(jì)了波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)并加工超材料進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好,說明了設(shè)計(jì)的正確性。最后對(duì)基礎(chǔ)的磁諧振模型進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),通過加入諧振頻率相近的回路可以起到提高帶寬的作用,并利用改進(jìn)后的單元設(shè)計(jì)了一款四象限通用型的超材料單元,可以實(shí)現(xiàn)雙正特性、磁單負(fù)特性、電單負(fù)特性以及雙負(fù)特性之間的轉(zhuǎn)換。4.根據(jù)前面提到的兩種相位補(bǔ)償方式,首先對(duì)連續(xù)相位和數(shù)字量化相位對(duì)于設(shè)計(jì)超表面時(shí)帶來的增益影響作出了比較。之后基于理論上增益較高的連續(xù)相位補(bǔ)償方式設(shè)計(jì)了一款可重構(gòu)透射電磁超表面。在單元的設(shè)計(jì)方面,基于RX-TX型單元的原理通過加載變?nèi)荻䴓O管控制其相位變化,是一種較為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)思路。根據(jù)優(yōu)化后的透射單元設(shè)計(jì)了一款工作于C波段的14×14規(guī)模大小的可重構(gòu)透射電磁超表面,仿真得到的結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的超表面具有高增益的特性以及波束掃描的功能,掃描角度達(dá)到±50°。5.基于連續(xù)相位的可重構(gòu)電磁超表面雖然在理論上增益較高,但是在實(shí)際中變?nèi)荻䴓O管的插入損耗比較大,且一個(gè)單元上要加載四個(gè)變?nèi)荻䴓O管,成本較高損耗也較大。在前面研究的基礎(chǔ)上,通過加載損耗更低的PIN二極管,基于數(shù)字量化相位的補(bǔ)償理論,提出了一款1-bit數(shù)字可重構(gòu)電磁超表面。首先,利用PIN二極管的通斷特性設(shè)計(jì)了一款工作于5GHz的1-bit數(shù)字可重構(gòu)透射單元,通過控制PIN二極管的通斷可以實(shí)現(xiàn)180°的相位差,滿足數(shù)字量化相位的要求。之后根據(jù)透射單元設(shè)計(jì)了12×12共144個(gè)單元的可重構(gòu)透射電磁超表面。設(shè)計(jì)并加工了數(shù)字電路控制板,能夠同時(shí)控制超表面上的所有PIN二極管。仿真結(jié)果證明了該超表面的主波束可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)掃描,掃描角度達(dá)到±50°,具有高增益的特性且?guī)挐M足應(yīng)用的需求。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB34;O441.4

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