基于超表面的具有角度稳定性的线极化转换器设计

作     者：郭彦良 

作者单位：山西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏晋荣

授予年度：2023年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：超表面 极化转换器 角度稳定性 宽带 雷达散射截面缩减 

摘      要：极化是电磁波的基本性质之一,人工改变和操纵电磁波的极化方向有利于提高通信质量,具有重要的研究意义。极化转换器具有控制电磁波极化方向的功能,是无线通信系统中的一种重要器件。传统的极化转换器件设计过程复杂,器件厚度大,且对材料和加工工艺的要求很高。近年来,超表面(Metasurface,MS)作为一种二维平面新型人工电磁材料,可对电磁波的传输方向、极化等灵活调控,且具有空间维度小、损耗和成本低、易于制造和集成等优点,因此在极化转换领域也得到广泛关注。本文针对工程应用中对极化转换器极化转换率(Polarization Conversion Rate,PCR)、工作带宽、角度稳定性的要求越来越高的需求下,基于超表面工作原理,分别设计了透射型和反射型极化转换器,实现了对线极化电磁波的高效转换,同时在宽频内具有角度稳定特性。在此基础上,将反射型极化转换超表面(Polarization Conversion Metasurface,PCM)应用于雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)缩减技术,实现了在平面和共形曲面上的RCS缩减性能,具有很高的应用价值。论文主要研究内容包括以下方面:透射型极化不敏感的双宽频线性交叉极化转换器设计。利用四组在极化转换器上下表面相互重叠或正交的直角三角形贴片对设计了一款线性交叉极化转换器,其在9.4-13.1 GHz和13.4-17.2 GHz的频段内极化转换效率高于95%,且当线极化波以任意极化方位角入射时,其极化转换率保持不变。通过用CST软件进行仿真,并对实物进行加工测试,其测试结果和仿真结果吻合较好,该设计可用于Ku波段的卫星通信领域。反射型宽入射角的超宽带线性交叉极化转换器设计。所设计的极化转换器由一对“弓箭形开口谐振环超表面单元、介质基板和接地面组成。仿真和测试结果表明,该转换器在11.5-28.5 GHz频带内可达到90%以上的交叉极化转换率,并在损失极小的带宽下其斜入射性能可以稳定在±40°。通过用CST软件进行仿真,并对实物进行加工测试,其测试结果和仿真结果吻合较好,该设计可用于Ku和K波段的卫星通信领域。用于平面和共形曲面RCS缩减的棋盘状超表面设计。将所设计的反射型极化转换超表面单元及其镜像单元进行棋盘状阵列排布,使其应用于平面和共形曲面的RCS缩减。平面上可在11.4-29.5 GHz(相对带宽88.5%)的超宽带范围内实现7d B以上的RCS缩减,即使是圆柱形的表面,也能在中心角90°的范围内实现RCS缩减。该设计可用于需要隐身技术的现代军事领域。