【摘要】：人工電磁超表面(Metasurface)是一種人工亞波長尺度結(jié)構(gòu),由于其具有負(fù)折射率、完美透鏡和隱身等光學(xué)性質(zhì)而受到廣泛的關(guān)注。通過在介質(zhì)層分界面上設(shè)計(jì)不同的金屬結(jié)構(gòu),由于分界面處相位不連續(xù),電磁波在其上會(huì)產(chǎn)生異常折射和反射,進(jìn)而可以按照人們的意愿進(jìn)行調(diào)控電磁波。太赫茲波在成像、傳感和通信方面顯示出許多有前途的應(yīng)用。高性能的極化調(diào)控器件對(duì)提高無線通信系統(tǒng)信道容量和抗干擾能力具有重要的意義,但目前在極化轉(zhuǎn)換效率、帶寬、極化調(diào)制性能、隔離度、插入損耗和集成度等方面仍無法滿足太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的要求�；诖吮尘�,在本論文中,我們針對(duì)太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)需求,通過對(duì)人工復(fù)合超表面結(jié)構(gòu)的研究,設(shè)計(jì)了反射式和寬帶透射式極化轉(zhuǎn)化器件。研究了超薄人工微結(jié)構(gòu)與相移材料結(jié)合的電磁耦合和電磁奇異特性調(diào)控機(jī)制,利用手性超材料與相移材料二氧化釩(VO_2)的結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種太赫茲頻段反射式和透射式極化調(diào)控器件,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)控電磁波的極化轉(zhuǎn)化。主要研究內(nèi)容包括以下方面:(1)基于手征超表面結(jié)構(gòu)的反射式靜態(tài)極化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)。手征超表面的改進(jìn)“SM”字型單元結(jié)構(gòu)在0.4THz實(shí)現(xiàn)對(duì)線極化和圓極化波的極化方向90°轉(zhuǎn)換,極化轉(zhuǎn)化率均達(dá)到0.9以上,為太赫茲高速無線通信系統(tǒng)、高靈敏度檢測(cè)系統(tǒng)、新體制雷達(dá)成像系統(tǒng)提供了信號(hào)控制的新機(jī)制。本論文還研究了人工微結(jié)構(gòu)與相移材料二氧化釩的結(jié)合,設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)極化轉(zhuǎn)化調(diào)控器件,具有極化狀態(tài)調(diào)控范圍寬、極化調(diào)制深度高、極化隔離度高和設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢(shì)。(2)利用人工電磁超表面與VO_2相結(jié)合,完成了動(dòng)態(tài)反射式極化調(diào)控器件和動(dòng)態(tài)透射極化調(diào)控器件的設(shè)計(jì),交叉極化調(diào)制深度達(dá)到了99.1%,通過溫度控制其電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制極化轉(zhuǎn)化的作用,所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有極化狀態(tài)調(diào)控范圍寬、極化調(diào)制深度和隔離度高以及設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢(shì)。將手征超表面微納結(jié)構(gòu)與新型相變材料相結(jié)合運(yùn)用外加激勵(lì)源控制器件折射率變化實(shí)現(xiàn)對(duì)入射太赫茲波的動(dòng)態(tài)高效極化調(diào)控是本論文的創(chuàng)新點(diǎn)之一。利用對(duì)不同極化波折射率的動(dòng)態(tài)控制實(shí)現(xiàn)極化調(diào)制和極化隔離是實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)傳輸控制的關(guān)鍵。(3)通過疊加多層超材料結(jié)構(gòu)可以使工作頻帶拓寬,本文利用人工電磁超表面研究了寬帶透射極化器件的極化轉(zhuǎn)換特性,實(shí)現(xiàn)了0.18-0.32THz頻率范圍內(nèi),具有超過94%的透過率提高了透射型器件的偏振轉(zhuǎn)換效率,拓寬帶寬響應(yīng)范圍。
【圖文】：

例如保密通訊中，就要求電磁波的極化狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)改變，以及電子對(duì)抗中，利用太赫茲波的極化選擇是干擾和抗干擾的核心，我們可以通過水平極化波來抑制敵方的垂直極化波，也可以利用與敵方旋向相反的圓極化來抑制敵方的圓極化波干擾，因此，電磁波的極化選擇具有非常重要的研究意義，也吸引了國內(nèi)外很多科學(xué)家的關(guān)注。如圖 1-1 所示的反射式寬帶極化器，由 N. K. Grady 等人[8]利用金屬短線人工結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)而成，上層為實(shí)現(xiàn)極化作用的人工微結(jié)構(gòu)，，下層是實(shí)現(xiàn)反射的金屬地平面，中間的介質(zhì)層把金屬結(jié)構(gòu)隔開，沿著 x 方向入射的線極化波入射到材料表面后，在金屬切線處，激發(fā)了偶極子 P 振蕩,將 P 分解為平行分量 PX和垂直分量PY。PX和入射的電場 E0一起貢獻(xiàn)于共極化波，垂直分量 PY貢獻(xiàn)于交叉極化波，如果單元結(jié)構(gòu)中沒有金屬地，極化轉(zhuǎn)化的效率會(huì)很低的，整體的反射波和透射波也會(huì)都變成橢圓極化波，正是由于金屬地的作用，它和金屬短線陣列形成了類Fabry-Pérot 腔，使得在 F-P 腔中形成多極化耦合干擾，增強(qiáng)了極化的效果。圖 1-1(為該極化器的仿真和測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出該極化轉(zhuǎn)化器在 0.8THz-1.8TH頻帶范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶反射波極化狀態(tài)的改變。

圖 1-2（a）單元結(jié)構(gòu)圖； （b） 平行極化和交叉極化反射率曲線圖[9]2016 年 zhang.et.al 提出一種十字交叉的結(jié)構(gòu)[10]，實(shí)驗(yàn)證明了該極化轉(zhuǎn)換器在8.1-13.8GHz 頻率范圍內(nèi)，極化轉(zhuǎn)化率超過 80%。由仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到極化轉(zhuǎn)化的效率和工作帶寬還需進(jìn)一步的提升。圖 1-3 單元結(jié)構(gòu)圖以及仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖[10]上邊所提及的均是反射型極化轉(zhuǎn)化器，單元結(jié)構(gòu)模式都是上層的人工微結(jié)構(gòu)以及下層的金屬地平面還有中間的介質(zhì)層，從本質(zhì)上講，都是上層特殊的金屬結(jié)
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O441

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