電磁超材料是一種由周期或非周期排布的亞波長單元組成,具有超常電磁特性的人工結(jié)構(gòu)。超材料的出現(xiàn)使人們可以按照意愿控制電磁波的傳播路徑。電磁超表面是二維形式的超材料,通過調(diào)節(jié)波前相位和幅度實(shí)現(xiàn)對波束的調(diào)控,它有效地克服了超材料體積龐大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、損耗高和頻帶窄的缺陷,越來越多地受到研究者的關(guān)注。本文主要研究了電磁超表面在波束調(diào)控中的應(yīng)用,主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:首先,利用超表面透鏡實(shí)現(xiàn)對口徑場幅度的調(diào)控。針對傳統(tǒng)矩形喇叭天線E面副瓣過高的問題,我們提出了兩種超表面透鏡。通過在喇叭內(nèi)部加載超表透鏡的方式將口徑面電場幅度由均勻分布調(diào)制成余弦分布,在不增加天線外部體積的情況下實(shí)現(xiàn)了對副瓣的抑制,設(shè)計(jì)出低副瓣矩形喇叭天線。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:E面副瓣電平得到有效的抑制,在中心頻率12 GHz處,副瓣電平低于-45dB。然后,利用超表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對極化的調(diào)控。針對平面反射陣天線存在饋源遮擋和剖面較高的問題,我們提出一種折疊反射陣天線。它由線極化饋源、主反射面(反射陣)和副反射面(極化柵)組成,其中,構(gòu)成主反射面的極化旋轉(zhuǎn)超表面能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)90°極化旋轉(zhuǎn)和相位補(bǔ)償。由于光路在陣列內(nèi)部發(fā)生多次折合反射,因此天線的整體剖面很低;對饋源和陣面一體化設(shè)計(jì),解決了傳統(tǒng)反射陣存在的饋源遮擋的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:3 dB增益帶寬為27.7-31 GHz,峰值增益為27.3 dB,具有寬帶和高增益的特性。最后將有源器件和超表面集成,實(shí)現(xiàn)了對電磁波的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控。針對傳統(tǒng)相控陣天線饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、造價(jià)高昂等問題,提出一種一比特電調(diào)可重構(gòu)超表面單元,通過控制PIN二極管的通斷實(shí)現(xiàn)180°的反射相位差,并且兩種工作狀態(tài)的反射損耗均在1 dB以內(nèi)。隨后我們設(shè)計(jì)了基于FPGA的直流控制電路和14×14電調(diào)可重構(gòu)反射陣,仿真和實(shí)測結(jié)果較為一致,構(gòu)造出的電控波束掃描天線能夠在XOZ面實(shí)現(xiàn)-30°到+60°,在YOZ面實(shí)現(xiàn)-60°到+60°的連續(xù)電控掃描,峰值增益為19.2 dB,最大口徑效率為25.33%。
【學(xué)位單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN820
【部分圖文】：

線通信設(shè)備中用來發(fā)射和接收電磁波的部件被稱為天線，天線是一種變換器，它能把傳輸線上導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為空間中傳播的電磁波[1]。無論是雷達(dá)等軍用設(shè)備，還是手機(jī)、平板電腦這些民用設(shè)備，都利用天線進(jìn)行工作，依靠電磁波來傳遞信息。天線的功能[2]首先是能量轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波和空間波的相互轉(zhuǎn)換；第二個(gè)功能是輻射和接收指定的極化波，即天線能根據(jù)具體應(yīng)用場合形成所需的極化；第三個(gè)功能是對能量作空間分配，即天線具有方向性，可形成特定指向的波束。一般情況下，傳統(tǒng)的天線一旦設(shè)計(jì)完成，其輻射性能也被固定，這往往無法滿足當(dāng)今復(fù)雜的通信需求。為了聚焦天線波束，從而獲取高增益特性，拋物面天線[3 4]和介質(zhì)透鏡天線[5 6]被提出，圖 1.1 和圖 1.2 分別為目前常見的拋物面天線和透鏡天線。二者都是利用了波束聚焦原理，將輻射球面波的饋源天線放置在焦點(diǎn)，然后分別利用反射式和透射式聚焦系統(tǒng)來形成同相口徑。但是，拋物面天線存在著體積龐大、結(jié)構(gòu)笨重、成本高昂和調(diào)試?yán)щy的問題，限制了它的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的介質(zhì)透鏡存在著加工難度大、材料損耗大、效率低的缺點(diǎn)。

線通信設(shè)備中用來發(fā)射和接收電磁波的部件被稱為天線，天線是一種變換器，它能把傳輸線上導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為空間中傳播的電磁波[1]。無論是雷達(dá)等軍用設(shè)備，還是手機(jī)、平板電腦這些民用設(shè)備，都利用天線進(jìn)行工作，依靠電磁波來傳遞信息。天線的功能[2]首先是能量轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波和空間波的相互轉(zhuǎn)換；第二個(gè)功能是輻射和接收指定的極化波，即天線能根據(jù)具體應(yīng)用場合形成所需的極化；第三個(gè)功能是對能量作空間分配，即天線具有方向性，可形成特定指向的波束。一般情況下，傳統(tǒng)的天線一旦設(shè)計(jì)完成，其輻射性能也被固定，這往往無法滿足當(dāng)今復(fù)雜的通信需求。為了聚焦天線波束，從而獲取高增益特性，拋物面天線[3 4]和介質(zhì)透鏡天線[5 6]被提出，圖 1.1 和圖 1.2 分別為目前常見的拋物面天線和透鏡天線。二者都是利用了波束聚焦原理，將輻射球面波的饋源天線放置在焦點(diǎn)，然后分別利用反射式和透射式聚焦系統(tǒng)來形成同相口徑。但是，拋物面天線存在著體積龐大、結(jié)構(gòu)笨重、成本高昂和調(diào)試?yán)щy的問題，限制了它的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的介質(zhì)透鏡存在著加工難度大、材料損耗大、效率低的缺點(diǎn)。

現(xiàn)對波束的動(dòng)態(tài)調(diào)控，可以對一些定向輻射天線，如喇，通過機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)電磁波的動(dòng)態(tài)掃描。但是，而且機(jī)械需要定期維護(hù)。還有一種方式，就是通過電控[7 8]是很有效的解決方案。相控陣天線中各單元后端連接，可以對個(gè)單元的出射相位進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，因而具備了傳統(tǒng)的相控陣天線存在系統(tǒng)成本高、饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、維 為某型號的相控陣?yán)走_(dá)實(shí)物照片。
【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：2839344