基于各向异性超材料反射模式极化转化器设计

摘要

由亚波长结构单元周期性排列组成的新型功能材料——超材料，拥有许多天然材料不具有的奇异性质，如负折射现象、超分辨成像、电磁隐身，高阻抗表面以及极强的电磁波极化旋转能力等。极化特性是电磁波传输的重要性质之一，广泛应用于无线通信，液晶显示，光学数据存储等领域。基于超材料的电磁波极化转换器具有厚度薄、带宽大、效率高等优点，成为人们高效调控电磁波传输极化特性的重要途径。
　　本文设计了一种基于梯形结构单元超材料反射极化转换器，实现了宽频带高转换效率的线性极化转换。该转换器可以在6.9~15.4GHz频率范围内将入射线性极化电磁波转换成交叉线极化反射波，转换效率高于0.9。转换器具有较大的入射角和很高的极化选择性，入射角从0增加到30°时仍能保持高的转换效率，且只能对x-极化或者y-极化入射波进行90Z极化转换。入射电磁波与极化转换器在7.4GHz，11.5GHz，14.8GHz三个频率处分别发生磁、磁、电谐共振响应，为此得到大的工作带宽。法布里-佩罗多重干涉理论计算表明，多重同极化反射波的相消干涉是该转换器具有高转换效率的原因。实验、理论计算和仿真得到极化转换效率结果十分吻合。
　　设计了一种双模式反射极化转换器，其共振结构单元由一个小实心圆和一个大圆环组成，实心圆与圆环由两根金属细线在45°方向上相连。该极化转换器可将入射的线极化波在7.95~9.93GHz频率范围内转换成交叉线极化反射波，在10.14~11.56GHz频率范围内转换成左旋圆极化反射波，且交叉线极化和圆极化转换效率均大于0.9。双极化转换模式对几何尺寸高度敏感，只有当实心圆半径r=5mm，圆环半径R=8mm，电介质层厚度d=10mm时，该转换器才具有较好的双极化转换模式特性。等效媒质理论计算出的等效阻抗Z变化与反射系数相位φ变化保持高度一致性，表明阻抗各项异性导致不同极化方向上反射相位差是该转换器极化转换能力的来源。

目录

声明

1 绪论

1.1 超材料的概念和发展

1.2 各向异性超材料反射极化转换器研究进展

1.3 论文研究内容

2 各向异性超材料反射极化转换器理论

2.1 电磁波的极化形式

2.2 法布里-佩罗多重干涉理论

2.3 等效媒质理论

3 梯形超材料宽带反射极化转换器设计

3.1 引言

3.2 单元结构设计、仿真

3.3 法布里-佩罗多重干涉理论计算

3.4 实验验证及讨论

3.5 本章小结

4 双模式反射极化转换器设计

4.1 引言

4.2 单元结构设计与仿真结果分析

4.2 理论分析及讨论

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果