【摘 要】
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电磁超表面是一种能对电磁波幅度、相位、极化等特性进行自由调控的新型人工电磁材料,被广泛应用在民用无线通信和军事领域中。在过去的几十年间,电磁超表面取得了巨大的发展,高性能、小型化超表面不断被发掘和更新,但随着多功能、智能化设备的发展,单一功能、无法动态调控以及窄频带特性是目前电磁超表面设计面临的主要问题之一,这极大地限制了电磁超表面在天线隐身设计、天线波束调控等方面的应用。因此,本文以基于可重构技
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电磁超表面是一种能对电磁波幅度、相位、极化等特性进行自由调控的新型人工电磁材料,被广泛应用在民用无线通信和军事领域中。在过去的几十年间,电磁超表面取得了巨大的发展,高性能、小型化超表面不断被发掘和更新,但随着多功能、智能化设备的发展,单一功能、无法动态调控以及窄频带特性是目前电磁超表面设计面临的主要问题之一,这极大地限制了电磁超表面在天线隐身设计、天线波束调控等方面的应用。因此,本文以基于可重构技术的可切换超表面设计与应用为研究课题,提出了两款功能可切换超表面和一款宽频带1-bit传输/反射可切换移相表面,具体工作如下:（1）针对超表面在多功能、宽频带、双极化等方面的发展需求,首先,研究了一种可切换极化转换/同相反射超表面（Polarization Conversion/In-Phase Reflection Metasurface,PCIPR-MS）。在基于2.5 D结构的高效率极化转换表面（Polarization Conversion Metasurface,PCM）的对角端引入PIN二极管有源器件,PCIPR-MS单元实现了极化转换特性到同相反射特性功能之间的切换。将PCIPR-MS应用于偶极子圆极化天线阵列中,利用超表面的线-线极化转换特性使天线单站雷达截面（Radar Cross Section,RCS）在35%的相对带宽内减缩10 dB以上,而利用超表面的同相反射特性则提升了天线增益、辐射效率等性能。其次,研究了一种可切换极化转换/吸波表面（Polarization Conversion/Absorbing Metasurface,PCA-MS）。PCA-MS 单元是通过在基于电阻加载的2.5 D超材料吸波体（Metmetarial Absorber,MA）中引入开关结构,改变电流回路,实现吸波特性到极化转换特性特性之间的切换。将PCA-MS单元以2×2的周期规模排列作为偶极子天线的反射地板,利用超表面的极化转换特性天线在5.06-5.23 GHz频段内实现了圆极化波辐射,避免了复杂的馈电网络结构,而利用超表面的吸波特性在工作频段内有效降低了天线的单、双站RCS。（2）针对超表面在天线双波束、波束扫描及聚焦等方面的需求,研究了一种可重构宽频带1-bit传输/反射移相表面。该单元通过独立设计反射移相单元和传输移相单元,然后利用极化选择栅组合设计,最后利用金属过孔结构和高阻抗线结构设计直流偏置电路,实现了对不同极化入射波下传输相位特性和反射相位特性的独立调控。在设计单元基础上提出了一款透射/反射一体功能的准无衍射波束天线,通过动态调整口径场相位分布,天线实现了准无衍射波束0°～60°的扫描。该准无衍射波束天线具有双波束、波束独立调控等优点,在近场通讯、成像等领域具有较好的应用前景。
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