编码超材料对电磁波的调控及应用

论文摘要

电磁超材料是由亚波长结构单元通过周期或非周期排布组成的人工复合结构,由于其奇特的电磁特性,可实现一系列电磁波调控功能,例如异常反射、异常折射、电磁隐身、极化转换等,在航空、航天和信息等领域具有广阔的应用前景,因此得到越来越多的关注。电磁超表面是超材料的二维形式,具有低剖面、低损耗、低成本及便于设计制造等优势。近年来,东南大学崔铁军教授团队提出了数字编码超表面,相较传统的等效媒质超表面,可通过数字编码序列调控电磁波,极大地拓展了超材料的应用。本文着重研究电磁编码超材料的设计及应用,包括结合群智能算法辅助设计、新型幅度调制电磁超表面、以及幅相调制混合编码超表面。主要工作包括以下几方面:1)基于粒子群优化算法的远场方向图综合。给定预设的远场方向图目标函数,通过MATLAB软件利用粒子群算法来优化编码序列,运用快速傅里叶变换高效地得到对应的远场方向图。通过在理论分析上综合考虑各种因素,在MATLAB上充分优化粒子群的迭代参数,使粒子加快收敛且不易陷入局部最优,在有限的迭代次数能够输出最优的结果最后实现快速有效地综合远场方向图。2)光学透明幅度调制电磁编码超表面的理论研究与实验验证。光学透明电磁编码超表面以可见光波段透明的介质材料为基础,由在一定的频带范围内,电磁波反射幅度覆盖从全反射到全吸收的四种电磁编码超表面单元组成,按照预先设计的编码序列在二维表面排列而成,根据数字编码序列的不同,其可对入射波呈现出不同的幅度反应,实现波束调控、目标隐身和信息传递等功能,在微波段和可见光波段都有很好的应用前景。3)透射型幅相调制混合编码超表面的理论研究与实验验证。透射型幅相调制混合编码超表面采用3-比特八个混合编码超表面单元,构成幅相独立调控单元,通过理论和实验验证了其能够产生OAM波束并进行有效地幅度调制,同时幅相混合编码能够完美地与数字卷积运算相结合,为实现连续的波束扫描添加了新的维度。4)透射型非对称传输幅度调制编码超表面的理论研究。透射型电磁编码超表面是基于高透射率的数字单元结构,每个单元结构可覆盖全反射到全透射状态,通过将透射幅度离散化,可以设计1-比特、2-比特甚至更高阶的透射型幅度调制电磁编码超表面。根据不同的透射编码序列,使得其能够自由地调控透射波束大小,间接地调控非对称传输系数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•     1.1.1 电磁超材料的概念
•     1.1.2 电磁超表面的发展历史
•     1.1.3 数字编码与可编程超表面
•   1.2 本论文的研究内容和安排
• 第二章 基于粒子群算法综合优化设计电磁编码超表面
•   2.1 粒子群算法简介
•     2.1.1 标准粒子群算法基本原理
•     2.1.2 离散粒子群算法及其改进
•   2.2 基于FFT的编码超表面远场方向图计算
•   2.3 基于粒子群算法编码超表面的优化设计
•     2.3.1 编程工具的选择
•     2.3.2 编码超表面优化系统流程图
•     2.3.3 系统参数优化分析
•   2.4 仿真与分析
•     2.4.1 一维单波束
•     2.4.2 一维双波束
•     2.4.3 一维三波束
•   2.5 小结
• 第三章 幅度调制电磁编码超表面的理论研究与实验验证
•   3.1 引言
•   3.2 透明反射型幅度调制编码超材料
•     3.2.1 工作原理和单元结构设计
•     3.2.2 透明反射型幅度调制编码超表面数值仿真结果
•     3.2.3 透明反射型幅度调制编码超表面实验结果
•   3.3 超薄单电阻加载反射型幅度调制编码超材料
•     3.3.1 单元结构设计
•     3.3.2 数值仿真结果
•   3.4 反射型电可调幅度调制编码超材料
•     3.4.1 单元结构设计
•     3.4.2 数值仿真结果
•   3.5 小结
• 第四章 透射型幅相调制编码超表面的理论研究与实验验证
•   4.1 引言
•   4.2 透射型幅相调制混合编码超表面的工作原理与单元设计
•     4.2.1 幅相调制混合编码的原理工作原理
•     4.2.2 幅相调制混合编码单元设计
•   4.3 透射型幅相调制混合编码超表面数值仿真与实验
•   4.4 结合数字卷积运算的幅相调制混合编码超表面
•   4.5 小结
• 第五章 透射型非对称传输幅度编码超表面
•   5.1 引言
•   5.2 透射型非对称传输幅度编码超表面的工作原理
•     5.2.1 非对称传输幅度编码超表面传输矩阵
•     5.2.2 非对称传输幅度编码超表面传输约束条件
•   5.3 透射型非对称传输幅度编码超表面
•     5.3.1 单元结构设计
•     5.3.2 数值仿真结果
•     5.3.3 对远场方向图的极化调控作用
•   5.4 小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗钧

导师: 崔铁军

关键词: 电磁超材料,电磁超表面,粒子群算法,幅度调制,幅相混合编码

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 东南大学

分类号: TB34;O441.4

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.001984

总页数: 81

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