相位非连续性人工电磁表面的研究(2)
1.2 课题背景电磁波在传播过程中，其相位的该变量受到传播距离的限制，因此无论由金属、均匀折射率介质、变折射率介质或左手介质构成的传统器件，其对电磁波的人工调控完全依赖于电磁波在特定传播路径上的相位累积。基于该机制的器件存在着尺寸极限，传统器件往往伴随着由此引发的体积和重量问题。人工电磁媒质为电磁波的调控提供了另一条可行的途径。人工电磁媒质是由带有不同尺寸特征和参数散射体构成的，使得分界处不同位置处的等效折射特性发生变化。相比于传统透镜，其最大的优点就是将曲面平面化，但是由于人工电磁媒质的基本原理仍然是电磁波光程中的空间相位积累，所以其构成的器件也伴随着体积、质量、以及尺寸的问题。相位非连续人工电磁表面提供了另一种根本可行的理论方法[1]。人工电磁表面利用只有亚波长尺寸的谐振单元引入突变相位，既增大了调控电磁波的自由度，又避免了传统器件以及人工电磁媒质所伴随的弊端。由于其自身尺寸小、重量轻以及灵活度高等特点，相位非连续人工电磁表面将在电磁波调控的很多方面都将有着很大的应用潜力。
1.3 国内外发展现状及分析相位非连续人工电磁表面首先是由哈佛大学研究小组提出的。他们用理论推出了广义折第 2 页 本科毕业设计说明书射以及反射定律，再利用带有不同单臂长度以及张开角度的 V 形等离子体结构来引入不同的透射波相位，通过在不同位置处改变 V 形单元结构的参数来构造相同的相位变化率，实现异常折射，验证了理论，并为进电磁波的调控提供了一种新思路[3,8-9]。然而，该方案的缺陷在于只能对电磁波引入 180°的相位变化。P-B 相位的提出[10,11]可使相位突变的变化范围扩展到了 0-2π。P-B 相位是与电磁波极化特性相关的几何相位，当极化状态在庞加莱球上的变化呈一闭合曲线时，电磁波最后的极化状态与初始状态相差的相位正好等于闭合曲线所包围的面积的一半。将情况特殊化后可知，圆极化波通过人工电磁表面后，交叉极化波中引入的突变相位为单元结构光轴旋转角度的 2倍。同时，通过在电磁表面合理构造相位变化，可以实现异常折射，在引入类似传统曲面透镜所具有的相位差后，还可得到汇聚或发散透镜[12]。但是上述方案的透射交叉极化波的转化效率存在着理论极限，最高为25%。除利用P-B 相位外，电控可调人工电磁表面也是实现电磁波调节的另一种途径，与根据P-B 相位旋转单元结构实现相位变化的方式不同，电控可调人工电磁表面通常通过在材料中引入电控可调成分，如变容二极管等，以实现在频域上对单元结构的调节，进而调节相位，以此来实现对电磁波的调控。该表面经过合理构造，可以使透射波（或是反射波）的转化效率较高。 冯一军教授等人通过在单元结构引入变容二极管， 实现反射相位360°范围的调节[13]，但在靠近并联谐振点处的反射幅度却较低，对电磁波的调控仍存在着一定的局限性。
1.4 本课题的研究内容和意义传统电磁波调控器件总受到尺寸限制，而人工电磁表面却能在亚波长尺寸范围内实现对电磁波状态的调控。 本文的主要研究目的就是通过人工电磁表面的设计实现对反射波的调控。本文主要围绕着反射电磁波相控人工电磁表面的原理、设计与测试展开。本文的章节安排及研究内容如下：第一章为绪论，主要介绍人工电磁表面的发展和技术，为本文所设计的单元结构提供技术背景参考。第二章为突变相位的理论分析，本章首先利用琼斯矩阵以及庞加莱球论证人工电磁表面引入的相位突变与其自身旋转角度的关系，而后利用二端口网络特性求证圆极化波入射该表面的情况下，透射及反射交叉极化波转化效率的理论极限，为下一章的突变相位单元结构设计提供理论基础。第三章为突变相位人工电磁表面的研究，本章首先介绍了一种微波波段的缝隙单元结构模型，该结构可实现在保证透射系数靠近理论极限值的情况下，对透射交叉极化波的的相位调控。在此基础上，本文设计了与其互补的贴片单元结构，使其能够在较高反射系数的情况下，使反射交叉极化波的突变相位覆盖 360°，实现了在等幅情况下对交叉极化波相位的调控。第四章为电控可调人工电磁表面研究，本章首先利用传输线模型分析人工电磁表面，将表面阻抗视为传输负载。在理论基础上，介绍了一种可等效为并联谐振电路的高阻抗表面，该结构可实现在不同频点上得 360°相位变化，本文对该结构进行改进，通过引入了电控可调的变容二极管设计电控可调的高阻抗表面，并利用理论模型分析以及实验验证，对所设计的单元结构进行优化，实现在保证反射幅值的情况下，对反射相位的高效调控。