近年來(lái),平面二維超材料——超表面逐漸被用于設(shè)計(jì)各種類型的微波透鏡。具有亞波長(zhǎng)特性的超表面因其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等特點(diǎn),提供了設(shè)計(jì)的靈活性,在電磁波波前控制方面展現(xiàn)出前所未有的優(yōu)勢(shì)。但目前大多數(shù)超表面透鏡由品質(zhì)因數(shù)高的諧振單元組成,具有窄帶和色散等缺點(diǎn),而考慮單元群時(shí)延特性的超表面透鏡能夠改善以上不足。傳輸相位對(duì)頻率f求導(dǎo)可以得到群時(shí)延,反映器件固有的傳輸特性。群時(shí)延不僅表示信號(hào)傳播時(shí)間延遲的大小,也直接影響信號(hào)在傳輸過(guò)程中是否會(huì)有色差。因此,人為改變超表面單元的群時(shí)延,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)控微波透鏡的色差,拓寬工作帶寬的目的。本文具體研究工作包括:首先研究了超表面微波透鏡基本單元的群時(shí)延特性,針對(duì)兩大類結(jié)構(gòu):金屬-介質(zhì)單元與全介質(zhì)單元進(jìn)行群時(shí)延定性分析,發(fā)現(xiàn)群時(shí)延的大小值與頻率響應(yīng)的帶寬成反比,并且與響應(yīng)階數(shù)N、介質(zhì)層的εr、介質(zhì)層的厚度h成正比。其次,對(duì)帶通結(jié)構(gòu)的群時(shí)延進(jìn)行定量分析,得到固定的帶寬對(duì)應(yīng)著固定的群時(shí)延值的結(jié)論。其次分析了MEFSS（Miniaturized-Element Frequency Selective Surface）單元的ECM（Equivalent Circuit M... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：92 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖1-1兩類非真時(shí)延透鏡與真時(shí)延透鏡頻段內(nèi)的焦點(diǎn)移動(dòng)對(duì)比[18]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-3-2014年，DuHu等人在太赫茲波段內(nèi)系統(tǒng)研究了超表面平面透鏡的色差特性[19]。他們?cè)?00μm厚度的硅晶片上刻蝕100nm厚的金屬V型天線單元，通過(guò)調(diào)控單元的幅度與相位，實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)為400μm時(shí)在4mm處聚焦。整個(gè)超表面透鏡由40*40個(gè)單元構(gòu)成，單元周期大小為200μm，如圖1-2a)所示。通過(guò)仿真與測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在0.59THz到0.80THz之間，此透鏡的聚焦效果良好，但當(dāng)波長(zhǎng)呈增大的趨勢(shì)時(shí)，焦距會(huì)逐漸減小，結(jié)果通過(guò)曲線擬合如圖1-2b)所示，這種寬帶內(nèi)的色差現(xiàn)象是由不同頻點(diǎn)在波傳播過(guò)程產(chǎn)生的光程不同與超表面單元的寬帶相位分布共同導(dǎo)致的。a)V型天線單元組成的透鏡結(jié)構(gòu)圖b)超表面透鏡的焦距與波長(zhǎng)關(guān)系圖圖1-2太赫茲波段的超表面透鏡設(shè)計(jì)與結(jié)果圖[19]2015年，F(xiàn)rancescoAieta等人利用一種能夠互相耦合的400nm高硅介質(zhì)長(zhǎng)條結(jié)構(gòu)[20-21]，設(shè)計(jì)了在1300nm、1550nm和1800nm三個(gè)波長(zhǎng)偏轉(zhuǎn)相同角度的波束偏轉(zhuǎn)器且偏轉(zhuǎn)效果良好，如圖1-3a)所示。小圖A為三個(gè)波長(zhǎng)歸一化仿真遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度與偏轉(zhuǎn)角度結(jié)果圖；小圖B為遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖；小圖C為仿真與實(shí)測(cè)從1100nm到1950nm的偏轉(zhuǎn)結(jié)果圖；小圖D為測(cè)試得到的傳輸效率與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。在此基礎(chǔ)上，他們同樣設(shè)計(jì)出了在三個(gè)波長(zhǎng)之間能夠匯聚相同距離的消色差聚焦透鏡，實(shí)驗(yàn)的聚焦角度如圖1-3b)所示。小圖A為平面透鏡結(jié)果圖；小圖B到H為不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)得電場(chǎng)分布圖，虛線對(duì)應(yīng)著焦平面；小圖I為三個(gè)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的效率圖；小圖J為在寬帶內(nèi)焦距與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。這種僅僅實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)的消色差并未寬帶效果。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-4-a)三波長(zhǎng)消色差超表面偏轉(zhuǎn)器件b)三波長(zhǎng)消色差超表面聚焦透鏡圖1-3基于相位補(bǔ)償?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)消色差超表面[20]同年，ZeyuZhao等人利用亞波長(zhǎng)金屬縫隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)消色差的超表面透鏡與應(yīng)用于STED顯微系統(tǒng)的雙波長(zhǎng)消色差器件[22]。圖1-4左側(cè)圖展示了超表面亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原理；為了實(shí)現(xiàn)STED顯微鏡成像的雙波長(zhǎng)聚焦，左側(cè)小圖(c)與(d)分別顯示聚焦波束理論所需的幅度分布與相位分布�；诖嗽恚覀�(cè)圖為所設(shè)計(jì)的針對(duì)532nm、632.8nm和785nm三個(gè)波長(zhǎng)的消色差聚焦透鏡的仿真與實(shí)測(cè)圖。但是這種方法并未考慮其余波長(zhǎng)影響，成像效果不佳。圖1-4多頻譜光學(xué)消色差超表面[22]


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