寬帶平面反射陣和多層頻率選擇表面研究及其應(yīng)用.pdf

1、平面反射陣和頻率選擇表面可以有效調(diào)控天線的輻射特性和散射特性，因而受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究和探討，特別是在無線通信、衛(wèi)星通信和深空探測領(lǐng)域。寬帶平面反射陣和寬帶頻率選擇表面一直是電磁場領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，本論文設(shè)計(jì)一種寬帶平面反射陣，提出基于亞波長分形結(jié)構(gòu)的寬帶頻率選擇表面并對此進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論?；诙鄬宇l率選擇表面的設(shè)計(jì)方法，提出和設(shè)計(jì)機(jī)械可重構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)線極化到左旋圓極化、右旋圓極化以及不同工作頻帶的線極化之間的轉(zhuǎn)換?；?/p>

2、于各向異性超表面設(shè)計(jì)了三種反射型極化轉(zhuǎn)化器，可實(shí)現(xiàn)多頻帶多極化轉(zhuǎn)換。本文旨在研究寬帶平面反射陣和多層頻率選擇表面的理論和綜合設(shè)計(jì)方法，以及在高增益天線和新型極化旋轉(zhuǎn)器等領(lǐng)域的應(yīng)用。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　第一章基于陣列天線理論和幾何理論總結(jié)了三種反射型陣列天線的空間延遲相位的計(jì)算方法。三種補(bǔ)償相位的計(jì)算方法可以統(tǒng)一應(yīng)用于設(shè)計(jì)平面反射陣，這為平面反射陣天線的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　第二章提出基于雙共形環(huán)單元的

3、寬帶反射陣天線。通過改變雙共形單元的物理尺寸，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)550°的相位覆蓋范圍。由于雙共形金屬環(huán)單元具有較多自由度，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以獲得較為線性的相位曲線。同時(shí)，可以用較小的單元尺寸覆蓋360°相移，即實(shí)現(xiàn)單元小型化。因此，此單元具有較好的極化穩(wěn)定性和角度穩(wěn)定性。更重要的是該平面反射陣具有寬帶特性，其1dB帶寬可達(dá)到20％，可應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域解決覆蓋盲區(qū)問題，也可用于合成孔徑雷達(dá)成像。
　　第三章提出一種基于天線濾波天線概念的

4、多層頻率選擇表面。提取多層頻率選擇表面的等效電路模型，其中Minkowski分形貼片和Minkowski分形縫隙結(jié)構(gòu)均屬于非諧振結(jié)構(gòu)，分別等效為并聯(lián)電容和并聯(lián)電感，中間層的薄介質(zhì)基板等效為J/K變換器。論文對多層頻率選擇表面的等效電路進(jìn)行簡化，并得到耦合濾波器原型，并使用濾波器理論綜合此多層頻率選擇表面的電參數(shù)。與傳統(tǒng)的頻率選擇表面設(shè)計(jì)方法相比，基于等效電路模型的多層頻率選擇表面綜合設(shè)計(jì)方法更加高效快速，通過電參數(shù)確定其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)。理

5、論仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證實(shí)了多層頻率選擇表面綜合方法的有效性和正確性，這為寬帶多層頻率選擇表面的分析與設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　第四章基于多層頻率選擇表面的綜合設(shè)計(jì)方法，提出一種新型機(jī)械可重構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換器。以亞波長金屬貼片陣列、柵格線以及薄介質(zhì)基板組成的頻率選擇表面，通過級聯(lián)多層頻率選擇表面展寬其工作頻帶。通過引入微擾技術(shù)，在兩個(gè)正交方向上分別產(chǎn)生不同的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)。眾所周知，當(dāng)電磁波的幅度和相位差滿足一定條件時(shí)，可以獲得想

6、要的電磁波極化狀態(tài)。論文研究了理想情況和實(shí)際仿真情況下（無限陣列）的軸比理論計(jì)算方法，以及與有限陣列的仿真結(jié)果和測量結(jié)果的對比分析，并對上述結(jié)果之間出現(xiàn)的差別進(jìn)行了詳細(xì)的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此極化轉(zhuǎn)換器可靈活實(shí)現(xiàn)不同極化狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，且具有較寬的工作帶寬和極化與角度穩(wěn)定性。該極化可重構(gòu)轉(zhuǎn)換器可用于衛(wèi)星通信中，解決因電磁波穿過電離層而產(chǎn)生的法拉第效應(yīng)。
　　第五章提出三種基于各向異性超表面(anisotropic metasurfa

7、ce)的反射型多頻帶多極化轉(zhuǎn)換器，由于各向異性超表面在兩正交方向的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)都各不相同，因此可實(shí)現(xiàn)極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，即線極化到正交線極化、線極化到左旋圓極化和右旋圓極化的轉(zhuǎn)換。所提出各向異性超表面可調(diào)控電磁波的極化狀態(tài)。第一種是單層超薄高選擇性極化轉(zhuǎn)換器，單元貼片大小決定其工作頻段，切角大小可以調(diào)節(jié)其矩形系數(shù)，即帶外下降沿的陡峭程度;第二種多帶多極化轉(zhuǎn)換器是在第一種極化轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，通過增加切角貼片實(shí)現(xiàn)多帶多極化轉(zhuǎn)換特