频率选择超构表面理论及其在孔径成像系统中的应用研究

摘要

电磁超表面可以对电磁波的多种特性如频率，极化，幅度和相位进行调控。多种多样的超表面在不同的应用领域里发挥着重要的作用。本文以具有频率选择特性的超表面为切入点，从调控电磁波滤波特性的频率选择表面以及调节电磁波辐射特性的频率捷变超表面入手展开讨论。频率选择表面作为一种空间滤波器，广泛应用于雷达天线罩的设计之中，成为雷达不可或缺的部件。随着通信和雷达系统的迅速发展，具有宽带，频率抑制以及谐波抑制等集多种功能于一体的频率选择天线罩渐渐发展起来，然而如何快速有效地设计出特定指标下的多功能天线罩成为研究热点。本文以此为切入点，提出了一种可以用于提取任意频率选择表面结构的多谐振等效电路模型，其可以在宽频带范围内对频率选择表面的特性进行准确提取。在此基础上，本文利用所提出的等效电路设计了一种可移植的谐波抑制频率选择表面天线罩，其可以加载于任何形式的常规带通频率选择表面上来实现谐波的抑制功能。此外，本文利用基于多层频率选择表面发展而来的透射阵列天线设计产生了一种在近场具有无衍射传输特性的高阶贝塞尔波束，未来可以应用于近场的无衍射涡旋电磁波通信系统中。另外，由具有频率捷变特性的超表面所构建的超材料孔径天线广泛地应用于微波成像领域，本文针对超材料孔径天线辐射特性差的劣势，提出了一种提高超材料孔径天线辐射效率的方法，并且设计了一种集Ka波段超材料孔径成像和X波段一维波束扫描于一体的共口径天线系统，其可以在X波段进行一维波束扫描来对远距离场景目标的特性进行探测，又能在近距离条件下在Ka波段对场景目标进行重构成像，这种多功能共口径天线可以用于未来智能的环境感知系统中。本文具体的研究内容包括以下几个方面： 1.频率选择表面等效电路的设计和应用。本文提出了一种可以提取任意频率选择表面结构的多谐振带通和带阻LC等效电路，首先将任意频率选择表面分为带通响应和带阻响应两大类，然后针对各自响应的传输特性进行LC电路构建，构建出的LC等效电路可以在宽频带范围内对频率选择表面的传输特性进行准确拟合分析。另外，通过对LC等效电路进行级联，就可以对多层频率选择表面进行设计和分析。仿真和测试结果显示，多谐振LC等效电路可以用于快速有效地设计具有宽带，低剖面以及带外抑制的多层频率选择表面。 2.可移植谐波抑制频率选择表面天线罩的设计。在多谐振LC等效电路的研究基础上，本文设计了一种可以移植的谐波抑制频率选择表面天线罩。将所设计的谐波抑制频率选择表面加载于常规的带通频率选择表面上，就可以对带通频率选择表面的谐波进行抑制且不影响带通频率选择表面本身的带通特性。可移植谐波抑制频率选择表面可以加载于工作在同一频带下任何形式的常规带通频率选择表面上，这种设计使得具有谐波抑制功能的天线罩更容易与原始的带通型天线罩进行集成。 3.透射阵列天线在轨道角动量涡旋电磁波和高阶贝塞尔波束形成中的应用。基于多层频率选择表面发展而来的透射阵列天线通过调节其馈源的波前相位，可用于产生任意波束。最近发展起来的轨道角动量涡旋电磁波技术可以用于下一代大容量的通信系统中，然而轨道角动量涡旋电磁波束在传播时，往往在近场区就存在严重的衍射发散现象，这对于系统中的接收天线提出了很高的要求。本文在此背景下，利用幅相同时调制的透射阵列天线设计了一种在近场区具有无衍射传输特性的高阶贝塞尔涡旋波束，其可以应用于近场的无衍射涡旋电磁波通信系统中。 4.超材料孔径成像天线辐射效率的提高及其与X波段一维波束扫描天线的共口径设计。超材料孔径成像技术是由杜克大学率先提出的，首先由具有频率捷变特性的超表面所构建的超材料孔径天线产生随频率捷变的辐射场，然后对场景目标进行频率扫描，并且结合压缩感知的理论对场景进行重构成像的技术。本文针对超材料孔径天线辐射效率低的问题，提出了一种在天线设计中引入特定比例的高辐射特性单元来提高其辐射效率的方法，仿真和测试结果显示，加入高辐射特性单元后，超材料孔径天线的辐射效率可以得到有效提升。此外，本文针对超材料孔径成像系统只能应用于近场区的缺陷，提出并设计了一种集成Ka波段超材料孔径成像和X波段一维波束扫描的共口径天线，它既能在Ka波段产生用于重构成像的频率捷变辐射方向图，又能在X波段进行一维波束扫描，从而实现近距离重构成像，远距离探测目标的功能。

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