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论文结合国家自然基金项目“基于频率触发机制的电磁波调控方法与超材料可调器件研究”进行选题,围绕基于人工超表面曲面反射阵天线展开了比较深入的研究。论文的主要研究工作包括两个部分内容:一是在不同结构的曲面平台上设计了超表面单镜和双镜反射阵天线,包括伞状、柱状凸面平台的单镜反射阵天线,和凹面、平面、凸面平台的双镜反射阵天线,采用仿真和实验证明天线在不同类型曲面平台上获得高增益的辐射方向图;二是在不同结构的曲面平台上设计了超表面涡旋场反射阵天线,采用仿真和实验证明天线在平面、凹面、凸面平台上获得高效激发的涡旋电磁波。作者研究工作的主要内容可概述为:1.基于人工超表面的凸面反射阵天线针对伞状、柱状凸面平台,共形设计两款基于人工超表面凸面反射阵天线。其中人工超表面结构由广义斯涅耳定律设计,通过对超表面单元进行结构仿真优化,实现凸面反射阵对馈源入射波的准直并分别生成具有高增益辐射性能的笔形波束和扇形波束辐射方向图。仿真结果表明,首先:在20 GHz的中心频率,超表面伞状凸面反射阵和超表面柱状凸面反射阵分别得到了22.5 dBi和15.6 dBi的最大增益,相比于不加载超表面结构的传统伞状、柱状凸面反射面,最大增益数值分别高了17.22 dBi和12.3 dBi;其次,超表面伞状凸面天线和柱状凸面天线分别在19.7 GHz~20.4 GHz和19.5 GHz~20.6 GHz的频率区间内,均获得了低于-10 dB的反射系数的模值,以及较高的最大增益数值,其中伞状凸面天线增益≥22.0 dBi,柱状凸面天线增益≥15.0 dBi。试验数据与仿真数据吻合良好。最后,通过馈源偏馈研究了这两款超表面天线的波束扫描功能,同样实现高增益的辐射方向图。所研究的超表面凸面反射阵天线实现高增益的辐射性能。2.基于人工超表面的曲面双镜反射阵天线针对凹面、平面、凸面三种曲面平台,共形设计基于人工超表面的曲面双镜卡塞格伦反射阵天线。其中人工超表面结构由广义斯涅耳定律设计,通过仿真设计超表面单元结构并分别涂覆在卡塞格伦双镜天线的主、副反射面上,使得双镜系统主、副反射面相位分布得到优化,进而实现高增益辐射方向图,并使天线获得高口径效率。仿真结果表明,在20 GHz的中心频率,三款凹面、平面、凸面的基于超表面卡塞格伦反射阵获得最大增益32.7 dBi,33.1 dBi,32.0 dBi,对应的口径效率51%,54%,43%,而具有相同口径的对比天线传统卡塞格伦设计最大增益33.2 dBi,口径效率56%。试验数据与仿真数据吻合良好。凹面反射阵与传统设计相比实现缩短焦距减小体积,凸面反射阵实现凸面平台的波束准直,平面反射阵具备易加工低剖面的优点。最后,通过改造三款卡塞格伦副反射面的相位分布和超表面结构,构建基于人工超表面的曲面双镜格里高利反射阵,仿真结果表明与传统设计的格里高利天线仿真对比同样获得具有高口径效率的辐射性能。3.基于人工超表面的曲面涡旋场反射阵天线首先针对平面平台,设计基于人工超表面的平面卡塞格伦涡旋场反射阵,以及对比组天线基于人工超表面的平面单镜涡旋场反射阵。使用广义斯涅耳定律设计人工超表面结构,并分别加载于卡塞格伦天线的主、副反射面表面,一方面调节副反射面相位使主反射面表面生成均匀分布的电场,另一方面调节主反射面相位使整个系统生成具有高增益辐射性能和高纯度涡旋模式数的涡旋电磁波。对比组天线基于人工超表面的平面单镜涡旋场反射阵通过移除卡塞格伦反射阵的副反射面并改造馈源激励方式得到。仿真结果表明,在20 GHz的中心频率,卡塞格伦设计和单镜设计获得最大增益23.2 dBi和22.9 dBi,在距离天线主反射面中心10000 mm处角动量J分别为0.9966和0.8634,卡塞格伦天线非常接近模式数为1的理论设计,对比组单镜天线依然呈现较好的涡旋纯度,同时也证明超表面卡塞格伦涡旋场反射阵高效激发涡旋波的优势。然后,通过改造平面卡塞格伦涡旋场反射阵的主反射面,将高效激发涡旋波的设计推广到凹面、凸面平台的卡塞格伦天线设计中,另外也通过移除凹面、凸面卡塞格伦副反射面得到对比组的凹面、凸面单镜涡旋场反射阵。仿真结果表明,在20 GHz的中心频率,凹面、凸面卡塞格伦天线获得最大增益23.8 dBi和22.7 dBi,距离中心10000mm处角动量J分别为0.9899和0.9514;对比组凹面、凸面单镜天线获得最大增益23.7 dBi和22.7 dBi,距离中心10000 mm处角动量J分别为0.8574和0.8679。充分证明卡塞格伦设计在凹面、凸面平台上高效激发涡旋波的优势。最后,三款曲面卡塞格伦天线进行了加工测试,试验数据与仿真数据吻合良好。本部分设计的涡旋场天线,平面涡旋场反射阵剖面低,易加工,凹面涡旋场反射阵与传统设计相比缩短焦距减小体积,凸面涡旋场反射阵能够在原本波束发散的凸面平台上激发涡旋电磁波,并且其高效激发具有稳定模式数涡旋电磁波的特点使其在长距离涡旋电磁波通信中具有重要的潜在应用。