14911.相位非連續(xù)人工電磁表面電磁波調控研究

1、國內圖書分類號：TM154學校代碼：10213國際圖書分類號：654密級：公開工學博士學工學博士學位論文位論文相位非連續(xù)人工電磁表面電磁波調控研究博士研究生：丁旭旻導師：吳群教授副導師：張狂副教授申請學位：工學博士學科：微電子學與固體電子學所在單位：航天學院答辯日期：2015年12月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要I摘要對電磁波傳播進行精確的人工調控是當代電磁學最具有挑戰(zhàn)性的課題之一。傳統(tǒng)光學器件以及近年來研究熱點之一的人工電磁媒質，都

2、是采用三維結構的器件對電磁波的傳播狀態(tài)進行一定的調控，它們都依賴于電磁波傳播過程中形成的累積相位差，這使得電磁波人工調控器件很難實現(xiàn)平面化，且厚度不能任意減小，從而導致重量和加工工藝等方面的限制，使得器件難以與其他組件集成。相位非連續(xù)人工電磁表面的提出為解決上述瓶頸問題提供了一種可行的方法，它通過人工電磁表面上分布的相位突變單元在電磁波的傳播過程中引入相位突變，來替代傳統(tǒng)器件中的累積相位差。利用超薄人工電磁表面替代傳統(tǒng)器件的三維曲面或平

3、板結構，能夠極大程度上減小電磁波調控器件的尺寸及重量，進而有效地提高器件的實用性和系統(tǒng)的集成化。本文對微波波段相位非連續(xù)人工電磁表面機理展開研究，提出其工作性能的優(yōu)化方法，并設計了一系列基于相位非連續(xù)人工電磁表面的新型電磁波人工調控器件，為相位非連續(xù)人工電磁表面的工程實際應用奠定基礎。首先結合龐加萊球理論，分析了電磁波經歷不同方式的極化轉化過程中伴隨的傳輸相位變化的特性與規(guī)律。利用此相位突變特性，代替?zhèn)鹘y(tǒng)透鏡中的累積相位差，構造出單層超

4、薄的相位突變單元。理論上證明了圓極化波入射的情況下，透射場中交叉極化分量轉化效率的理論極限值。其次，在微波波段設計了小型化縫隙結構相位突變單元，其透射場中交叉極化波轉化效率在諧振頻點處可以逼近理論極限值。利用此相位突變單元，進一步設計微波波段異常折射人工電磁表面。對此透鏡進行理論、仿真和測試研究，透射場中交叉極化分量的傳播方向符合廣義折射率的預測，并且在諧振頻點處，透鏡交叉極化波轉化效率接近理論極限值。首次在微波波段實驗驗證了基于相位非

5、連續(xù)人工電磁表面的高效電磁波異常折射透鏡。通過進一步的研究，從兩種不同的理論途徑上對相位非連續(xù)人工電磁表面的工作帶寬進行優(yōu)化，使其不僅在諧振頻點處，并且在較寬的工作頻帶內，透射場交叉極化波轉化效率保持接近理論極限值。有效地拓寬了相位非連續(xù)人工電磁表面的工作帶寬，為人工電磁表面的實際應用奠定了基礎。接著以相位非連續(xù)人工電磁表面為出發(fā)點，通過相位突變單元在x軸向引入曲面透鏡相位分布，并且利用相位突變單元對不同旋向圓極化波引入相位突變量符號相