超表面涡旋电磁波汇聚透镜的设计

论文摘要

随着无线通信事业的高速发展,无线电低频趋近饱和与无线通信容量需求的爆炸式增长产生了巨大矛盾。因此,现如今的无线通信事业亟须新的技术来提高传输速率与频谱利用率。近年来,轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）作为一种可以控制电磁波传播状态的新属性受到了人们广泛的关注。携带OAM的电磁波被称为涡旋电磁波,利用不同拓扑荷值OAM之间的正交性,涡旋电磁波可以实现在同一频率下传输多路信息的大容量通信,进而有效地提高无线通信信道容量和频谱传输效率。然而,涡旋电磁波具有中空的特性,其发散程度随着距离和OAM模态的增加而增加,限制了其在远距离通信中的应用。本文针对涡旋电磁波的发散性,提出了一种基于相位调控的超表面（Metasurface,MS）涡旋电磁波汇聚透镜的设计与实现方法。主要研究内容如下:首先,对涡旋电磁波和超表面基本概念和特性进行研究。通过对涡旋电磁波固有属性和产生方法、超表面对电磁波的调控原理、超表面对相位突变的调控以及超表面基本分类这些内容的探究,为超表面涡旋电磁波汇聚透镜的设计提供理论基础。接着,通过对拉盖尔高斯波束和贝塞尔波束特性的研究,借鉴产生非衍射高阶贝塞尔波束的轴棱锥透镜设计原理,提出相位调控方法并推导出超表面汇聚透镜的相位补偿理论。然后设计透射型超表面单元结构,进行仿真并分析其透射相位和透射幅度等性能,选择合适的超表面单元结构,为后续超表面涡旋电磁波汇聚透镜的实现奠定基础。然后,结合MATLAB-HFSS-API脚本文件快速搭建超表面涡旋电磁波汇聚透镜模型,并用全波仿真软件ANSYS HFSS进行初步仿真,通过对超表面汇聚透镜近场电场幅度分布、远场二维和三维增益分布、汇聚前后相位分布、超表面透镜透射效率及OAM纯度进行分析验证了透镜良好的汇聚性能。最后,通过PCB技术将所设计透镜制成实物样件进行微波暗室实验,通过将实验所得近场归一化电场幅度分布、远场二维增益曲线及汇聚前后相位分布等数据与仿真结果进行了对比,验证了该透镜的工程实现性能,进而完成整个课题的工作。

论文目录

摘要

ABSTRACT

符号对照表

缩略语对照表

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 课题的研究现状

1.2.1 涡旋电磁波

1.2.2 超表面

1.3 论文章节安排

第二章涡旋电磁波及超表面理论基础

2.1 引言

2.2 涡旋电磁波理论基础

2.2.1 涡旋电磁波基本概念与特性

2.2.2 涡旋电磁波的生成方法

2.3 超表面的理论基础

2.3.1 经典Snell定律和广义Snell定律

2.3.2 超表面结构设计原理

2.3.3 超表面分类

2.4 本章小结

第三章涡旋电磁波汇聚透镜的设计

3.1 引言

3.2 拉盖尔高斯与贝塞尔波束

3.2.1 高斯波束

3.2.2 拉盖尔高斯波束

3.2.3 贝塞尔波束

3.3 相位调控方法的推导

3.4 超表面单元结构设计

3.4.1 单元结构的分析与选择方法

3.4.2 单元结构的设计与选取

3.5 本章小结

第四章超表面涡旋电磁波汇聚透镜的实现

4.1 引言

4.2 超表面汇聚透镜的模型搭建

4.2.1 MATLAB-HFSS-API脚本

4.2.2 涡旋电磁波汇聚透镜的模型搭建

4.3 仿真结果与分析

4.3.1 近场电场幅度分布

4.3.2 近场相位分布

4.3.3 3维远场增益分布

4.3.4 透射效率和模态纯度

4.3.5 传统汇聚透镜和超表面汇聚透镜性能对比

4.4 实验结果分析

4.4.1 近场归一化电场幅度分布

4.4.2 xoy平面相位分布及远场增益分布

4.5 本章小结

第五章总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孟颖繁

导师: 张海林

关键词: 涡旋电磁波,超表面,相位调控,纯度

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,仪器仪表工业,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: TH74;O441.4

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.000985

总页数: 84

文件大小: 6028K

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