全息阻抗调制表面的波束扫描特性研究

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全息阻抗调制表面作为一种超表面人工电磁材料,能够根据馈源辐射波进行调控,得到目标辐射波束,基于此特点,有望代替传统的相控阵天线,避免复杂的电控网络,实现波束扫描的功能。全息阻抗调制表面相较于传统的天线结构具有剖面低、馈电结构简单、成本低、易于加工、共形、可实现电磁隐身等优点,因此,对实现全息阻抗调制表面波束扫描的研究具有重要价值。本文从物理光学出发,利用光的干涉原理,将全息技术应用到电磁场领域,探究了全息阻抗调制天线的调制理论,并进行相关的理论分析。通过描述分析实现电控波束扫描的若干方法,提出在全息调制阻抗表面上实现波束扫描的相应方案。并通过给出全息阻抗调制表面的设计思路,在此基础上深入探究在固定工作频率下,实现全息调制阻抗表面大角度波束扫描和低仰角辐射的相应方案,从而为全息阻抗调制表面在波束扫描方面的应用进一步夯实基础。本文旨在研究全息阻抗调制表面的波束扫描特性,探索在全息阻抗调制表面上采用简单的方式实现在固定工作频率的波束扫描功能。本文首先从全息阻抗调制表面工作原理出发,对全息阻抗调制表面产生主波束分裂的现象进行了原理性分析,通过引入激励幅度相同,相位相差180°的双馈源,解决了主瓣分裂的问题,设计了一种关于中心对称的全息阻抗表面,该天线在上半空间法向方向辐射且可以实现波束可重构的功能。相较于其他解决全息阻抗调制表面主波束分裂的方法,通过引入边缘馈源、通过控制激励相位差的方法设计的全息阻抗调制表面,提供了一种可供参考和借鉴的实现方法。其次通过在二维全息阻抗调制表面边缘正交放置两组双馈源,在保持天线布阵方式,阵列单元尺寸固定不变的基础上,通过简单地控制多馈源的激励幅度和相位,实现了在固定工作频率XOZ,YOZ两个平面上的波束重构,并对此进行了原理性分析,为全息阻抗调制表面实现在固定工作频率上的波束可重构提供了解决思路。然后,本文提出了一种十字交叉形的全息阻抗调制表面,该表面采用四个单极子中心馈电,在不改变全息阻抗调制表面表面及阵列单元布阵方式、单元尺寸的基础上,利用单极子本身的辐射特性,实现了XOZ和YOZ两个面的低仰角辐射和大角度波束重构,辐射波束从±80°到法向0°变化,解决了全息阻抗调制表面无法实现低仰角辐射和大角度波束重构的问题。最后在此结构基础上,在全息阻抗调制表面各单元中添加理想电容二极管,通过控制电容值实现了XOZ和YOZ两个面辐射波束从低仰角±72°到法向0°变化的电控波束扫描。
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