電磁波的應(yīng)用影響著我們生活的各個(gè)方面,不論是在航空航天、電子通信還是在海洋科學(xué)等許多學(xué)科中都發(fā)揮著不可替代的作用。超表面由亞波長(zhǎng)尺寸的離散單元結(jié)構(gòu)組成,通過(guò)其單元結(jié)構(gòu)提供的離散相位突變,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波振幅、相位及極化方式的靈活調(diào)控。由于超表面陣列的每個(gè)單元都是亞波長(zhǎng)量級(jí)的,因此可以實(shí)現(xiàn)高分辨率波前調(diào)制,結(jié)合超表面所擁有的體積小,重量輕,靈活性高等優(yōu)點(diǎn),超表面可以替代傳統(tǒng)毫米波成像系統(tǒng)中的聚焦透鏡實(shí)現(xiàn)波束聚焦的功能。因此研究高分辨聚焦超表面具有非常重要的意義。本文主要研究了基于不同設(shè)計(jì)方法的超表面在預(yù)設(shè)不同聚焦場(chǎng)的情況下的聚焦性能。首先根據(jù)準(zhǔn)光路定理,采用共口徑圓環(huán)的單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了基于圓極化平面波入射下的高分辨聚焦超表面,并研究了相位離散化階數(shù)對(duì)于超表面聚焦性能的影響。之后通過(guò)補(bǔ)償實(shí)際饋源天線輻射相位的方式,完成由實(shí)際圓極化喇叭天線照射下的高分辨聚焦超表面的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果顯示本課題所設(shè)計(jì)的極化不敏感高分辨聚焦超表面在33-37 GHz頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了波束聚焦的功能,-3 dB焦斑直徑約為6 mm,可應(yīng)用在毫米波成像系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、集成化及高分辨成像。由于準(zhǔn)光路定理設(shè)計(jì)的超表面只能實(shí)現(xiàn)超表面的單焦點(diǎn)聚焦,因此本課題通過(guò)全息的計(jì)算方法完成了對(duì)可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜聚焦場(chǎng)的高分辨聚焦超表面的設(shè)計(jì)。采用創(chuàng)新型的幅相調(diào)控單元結(jié)構(gòu),基于GSW算法和標(biāo)量衍射理論這兩種全息方法分別實(shí)現(xiàn)了純相位超表面和復(fù)振幅超表面的單焦點(diǎn)聚焦、相同強(qiáng)度的雙焦點(diǎn)聚焦及不同強(qiáng)度的多焦點(diǎn)聚焦等功能。同時(shí),本課題采用主瓣能量壓縮的高分辨方法實(shí)現(xiàn)了聚焦超表面分辨率的大幅提升,仿真結(jié)果顯示純相位超表面和復(fù)振幅超表面的-3 dB焦斑直徑分別約為3.2 mm和2.9 mm。這可以為毫米波頻段的超分辨成像提供理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)思路。最后本課題通過(guò)設(shè)計(jì)純相位超表面全息圖和復(fù)振幅超表面全息圖,驗(yàn)證了兩種全息算法實(shí)現(xiàn)超表面全息成像的功能。為了節(jié)約成本和測(cè)試的易實(shí)施,設(shè)計(jì)并制備了一款工作在10 GHz的可實(shí)現(xiàn)全息成像的復(fù)振幅超表面,測(cè)試結(jié)果顯示該超表面成像效果良好。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：O441.4
【部分圖文】：

a) 波束偏轉(zhuǎn)陣列 b) 相位分布及渦旋波束圖 1-1 波束偏轉(zhuǎn)陣列及螺旋相位板相位分布及產(chǎn)生的渦旋波束[5]2012 年，Capasso 教授等[21]設(shè)計(jì)了可工作在近紅外波段的超表面聚焦，如圖 1-2 a)所示為該超表面的結(jié)構(gòu)和相位分布。該超表面透鏡同樣采用結(jié)構(gòu)天線按照所需要的相位分布排列而成，分別設(shè)計(jì)并制備了可實(shí)現(xiàn)聚焦的平面透鏡和可以產(chǎn)生無(wú)衍射貝塞爾波束的平面軸棱錐。該結(jié)果表明超表束相位不連續(xù)的概念可以應(yīng)用于平面透鏡和平面棱錐的設(shè)計(jì)，并可以實(shí)現(xiàn)

鄰區(qū)域的相位差為 π/4，實(shí)現(xiàn)了具有螺旋分布等相位面的渦旋波束。a) 波束偏轉(zhuǎn)陣列 b) 相位分布及渦旋波束圖 1-1 波束偏轉(zhuǎn)陣列及螺旋相位板相位分布及產(chǎn)生的渦旋波束[5]2012 年，Capasso 教授等[21]設(shè)計(jì)了可工作在近紅外波段的超表面聚焦透鏡，如圖 1-2 a)所示為該超表面的結(jié)構(gòu)和相位分布。該超表面透鏡同樣采用 V型結(jié)構(gòu)天線按照所需要的相位分布排列而成，分別設(shè)計(jì)并制備了可實(shí)現(xiàn)聚焦功能的平面透鏡和可以產(chǎn)生無(wú)衍射貝塞爾波束的平面軸棱錐。該結(jié)果表明超表面波束相位不連續(xù)的概念可以應(yīng)用于平面透鏡和平面棱錐的設(shè)計(jì)，并可以實(shí)現(xiàn)波束的聚焦功能。

a) 透鏡結(jié)構(gòu) b) 實(shí)驗(yàn)和模擬的聚焦場(chǎng)分布圖 1-3 互補(bǔ) V 型結(jié)構(gòu)組成的平面透鏡結(jié)構(gòu)及聚焦場(chǎng)分布示意圖[22]同年，該課題組用相同的巴比涅互補(bǔ) V 型等離子體納米天線實(shí)現(xiàn)了超薄超表面全息圖[13],該超表面全息圖厚度僅為波長(zhǎng)的二十三分之一�？梢栽诳梢�(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供振幅和相位的調(diào)制，從而生成高分辨率、低噪聲的圖像。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了利用納米結(jié)構(gòu)等離子體超表面調(diào)制振幅和相位來(lái)制作復(fù)雜全息圖的可行性。

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本文編號(hào)：2809414