高分辨聚焦超表面的特性研究

论文摘要

电磁波的应用影响着我们生活的各个方面,不论是在航空航天、电子通信还是在海洋科学等许多学科中都发挥着不可替代的作用。超表面由亚波长尺寸的离散单元结构组成,通过其单元结构提供的离散相位突变,可以实现对电磁波振幅、相位及极化方式的灵活调控。由于超表面阵列的每个单元都是亚波长量级的,因此可以实现高分辨率波前调制,结合超表面所拥有的体积小,重量轻,灵活性高等优点,超表面可以替代传统毫米波成像系统中的聚焦透镜实现波束聚焦的功能。因此研究高分辨聚焦超表面具有非常重要的意义。本文主要研究了基于不同设计方法的超表面在预设不同聚焦场的情况下的聚焦性能。首先根据准光路定理,采用共口径圆环的单元结构实现了基于圆极化平面波入射下的高分辨聚焦超表面,并研究了相位离散化阶数对于超表面聚焦性能的影响。之后通过补偿实际馈源天线辐射相位的方式,完成由实际圆极化喇叭天线照射下的高分辨聚焦超表面的设计。仿真结果显示本课题所设计的极化不敏感高分辨聚焦超表面在33-37 GHz频带范围内实现了波束聚焦的功能,-3 dB焦斑直径约为6 mm,可应用在毫米波成像系统中实现系统的小型化、集成化及高分辨成像。由于准光路定理设计的超表面只能实现超表面的单焦点聚焦,因此本课题通过全息的计算方法完成了对可实现较复杂聚焦场的高分辨聚焦超表面的设计。采用创新型的幅相调控单元结构,基于GSW算法和标量衍射理论这两种全息方法分别实现了纯相位超表面和复振幅超表面的单焦点聚焦、相同强度的双焦点聚焦及不同强度的多焦点聚焦等功能。同时,本课题采用主瓣能量压缩的高分辨方法实现了聚焦超表面分辨率的大幅提升,仿真结果显示纯相位超表面和复振幅超表面的-3 dB焦斑直径分别约为3.2 mm和2.9 mm。这可以为毫米波频段的超分辨成像提供理论基础及设计思路。最后本课题通过设计纯相位超表面全息图和复振幅超表面全息图,验证了两种全息算法实现超表面全息成像的功能。为了节约成本和测试的易实施,设计并制备了一款工作在10 GHz的可实现全息成像的复振幅超表面,测试结果显示该超表面成像效果良好。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 尹智颖

导师: 李红梅

关键词: 超表面,高分辨,聚焦,全息成像

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O441.4

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.001225

总页数: 67

文件大小: 3818K

下载量: 170

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