人工電磁材料是自然界中沒有的、人工制造的、具有特殊物理性質(zhì)的復(fù)合材料。人工電磁材料的二維形式即人工平面電磁結(jié)構(gòu),也被稱為超表面。本文研究了基于時域有限差分(FDTD)算法的人工平面電磁結(jié)構(gòu)的建模方法,通過FDTD算法分別對人工平面電磁材料的周期均勻結(jié)構(gòu)、非周期非均勻陣列結(jié)構(gòu)進行建模仿真分析。觀察、研究了頻率選擇表面(FSS)對攜帶軌道角動量(OAM)的電磁波的濾波作用,驗證了 FDTD算法的有效性。軌道角動量是電磁波的一個新的自由度,它對通信系統(tǒng)進行信道復(fù)用、提高信道帶寬具有重要的價值。因此,基于OAM波的通信系統(tǒng)成為了一個研究熱點,而找到可以有效產(chǎn)生OAM波的天線尤為重要。本文結(jié)合最新的人工平面電磁結(jié)構(gòu)研究成果,設(shè)計了一種在射頻波段可以產(chǎn)生不同OAM模式的反射陣天線。與已提出的眾多產(chǎn)生攜帶軌道角動量的電磁波的天線相比,該天線可以在不改變單元結(jié)構(gòu)的情況下實現(xiàn)OAM模式可調(diào),它由FDTD算法仿真,FDTD算法的有效性由和商業(yè)全波仿真軟件中的結(jié)果作對比來進行驗證。仿真結(jié)果顯示:通過合理設(shè)置每個單元結(jié)構(gòu)中位于兩片理想金屬薄片間變?nèi)荻䴓O管的電容值,反射陣天線可以在3.5 GHz下成功產(chǎn)生攜帶OAM模式0±1,±2的電磁波。本文對組成反射陣天線單元結(jié)構(gòu)做了進一步設(shè)計改造,改進了上述提出的反射陣天線,使天線可以同時在兩個相互垂直的極化方向上工作,并且實現(xiàn)了 OAM模式在不同極化方向上的獨立可調(diào)。與其它反射陣天線單元結(jié)構(gòu)做比較,提出的單元結(jié)構(gòu)在兩個不同的極化方向均可以實現(xiàn)平穩(wěn)的相位變化,并且兩個不同的極化方向間的耦合很小。文中使用了全波仿真軟件對設(shè)計的天線進行了仿真分析,在設(shè)計過程中提出了適用于單元結(jié)構(gòu)的等效電路模型,不僅加快了設(shè)計進程,也對單元結(jié)構(gòu)的相位響應(yīng)做出了解釋。最后,通過全波仿真軟件得到的數(shù)據(jù),對天線的反射效率和攜帶不同OA]M模式電磁波的純度進行了分析,驗證了提出的反射陣天線的有效性。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O441.4;TN820
【部分圖文】：

的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率來描述其電磁性質(zhì)。經(jīng)過精心設(shè)計的超材料可以實現(xiàn)自然材料??不具有的電磁性質(zhì)，例如，負(fù)折射［３，４］，高折射率［５，６］，隱身／幻像［１，７＝８］等。常見的??人工電磁材料如圖１－１所示。??超表面（Ｍｅｔａ－ｓｕｒｆａｃｅ）是人工電磁材料的二維形式，它基于廣義斯涅爾定律??（Ｓｎｅｌｌ’ｓ?Ｌａｗ）?［９］。通常來看，超表面由二維周期陣列單元組成，通過調(diào)節(jié)單元??結(jié)構(gòu)、尺寸和介質(zhì)參數(shù)等，可以方便、靈活地調(diào)控電磁波的傳播模式、波陣面幅??度、相位和極化方式等電磁性質(zhì)。??圖１－１人工電磁材料舉例（ａ）隱形斗篷１１１?（ｂ）吸收器１２１??１．１本課題的研究背景和意義??根據(jù)麥克斯韋電磁理論，電磁輻射攜帶有能量Ｅ?＝?ｆｔｖ，還有動量Ｐ?＝?ｈｖ／ｃ，其??中ｈ為普朗克常數(shù)，ｖ為光子頻率，ｃ為光速，而動量又可以分解為線動量和角動??量其中，角動量又包括自旋角動量（ＳｐｉｎＡｎｇｕｌａｒＭｏｍｅｎｔｕｍ，?ＳＡＭ）和軌道??角動量（Ｏｒｂｉｔａｌ?Ａｎｇｕｌａｒ?Ｍｏｍｅｎｔｕｍ，?ＯＡＭ）。自旋角動量代表電磁場的極化特征，??例如線極化（ＳＡＭ＝０）

Ｒａｄｉｕｓ?（ｃｍ＞?Ｒａｄｉｕｓ?（ｃｍ）??圖１－４螺旋相位板及其對應(yīng)的相位１２６１??Ｉｎｎｅｒ?ｐａｒｔ??．ｄｅｓｉｇｎｅｄ?ｆｏｒ??，？?ｉｎ〇ｄｃ?／＝?ｉ??＆？？拿嗜??ＭｉｄｃｎＣｊ＾＾｜：｜＾｜＿?盡?〇ｕ??ｄｅｓｉｇｎｅｄ?ｆｏｒ?Ａ?？?，?ｒ??ｎｌ０ｄｅ?ｄｅｓ．ｇｎｃｄ?ｔｏｒ??ｍ〇ｄｅ／＝４??圖１－５螺旋相位板實現(xiàn)的三模０ＡＭ天線Ｐ７１??２０１３年，Ｂｅｎｎｉｓ提出了利用相位板在毫米波段產(chǎn)生ＯＡＭ波的結(jié)構(gòu)［２６］，如??圖１－４所示。在２０１４年，Ｌ．Ｃｈｅｎｇ和Ｗ．Ｈｏｎｇ基于傳輸陣列天線理論提出了一種??平面螺旋相位板，用于產(chǎn)生混合態(tài)的ＯＡＭ波束ｔ２＇如圖１－５所示。２０１５年，浙??江大學(xué)的鄭史烈對一種環(huán)形行波天線產(chǎn)生的ＯＡＭ波的傳輸特性進行了研究１２８］。??２０１６年，西安電子科技大學(xué)的李龍教授團隊先后提出了三種０ＡＭ反射陣天線??［２Ｗ１］，其中的單模ＯＡＭ反射陣天線如圖ｌ－６（ａ）所示。同一年，在ＴＨｚ波段，??Ｚｈｕａｎｇ?Ｃｈａｎｇ提出了利用石墨烯材料的可調(diào)ＯＡＭ反射陣天線［３２］

?ｄｅｓ．ｇｎｃｄ?ｔｏｒ??ｍ〇ｄｅ／＝４??圖１－５螺旋相位板實現(xiàn)的三模０ＡＭ天線Ｐ７１??２０１３年，Ｂｅｎｎｉｓ提出了利用相位板在毫米波段產(chǎn)生ＯＡＭ波的結(jié)構(gòu)［２６］，如??圖１－４所示。在２０１４年，Ｌ．Ｃｈｅｎｇ和Ｗ．Ｈｏｎｇ基于傳輸陣列天線理論提出了一種??平面螺旋相位板，用于產(chǎn)生混合態(tài)的ＯＡＭ波束ｔ２＇如圖１－５所示。２０１５年，浙??江大學(xué)的鄭史烈對一種環(huán)形行波天線產(chǎn)生的ＯＡＭ波的傳輸特性進行了研究１２８］。??２０１６年，西安電子科技大學(xué)的李龍教授團隊先后提出了三種０ＡＭ反射陣天線??［２Ｗ１］，其中的單模ＯＡＭ反射陣天線如圖ｌ－６（ａ）所示。同一年，在ＴＨｚ波段，??Ｚｈｕａｎｇ?Ｃｈａｎｇ提出了利用石墨烯材料的可調(diào)ＯＡＭ反射陣天線［３２］，如圖ｌ－６（ｂ）??所示。目前，除了上述的超材料和行波天線以外，攜帶ＯＡＭ的無線波束產(chǎn)生的??方法主要有三種：螺旋相位板［２７］、螺旋反射器【３］和天線陣［３３］。尤其是
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本文編號：2842986