基于SRR结构的多频带频率选择表面

为实现频率选择表面(FSS)的多频带特性,将开口谐振环(SRR)结构引入多频带FSS的设计中.基于等效电路和仿真模型分析了单个SRR的电磁谐振特性,及其作为FSS结构单元而产生的电磁耦合.最后,利用有限元仿真软件HFSS计算了理想状态下无穷大周期性结构的多频带FSS,并通过对FSS的传输和反射频谱研究,揭示这种FSS谐振频率与SRR结构基本几何参数的内部关系.     

宽入射角高效宽带超表面太赫兹线极化转换器

为解决当前太赫兹频段下的极化转换器件带宽窄和带内转换率低的问题,设计了一款基于超表面的高效率太赫兹线极化转换器。通过在两端增加一对谐振枝节的方法,将原本的单谐振频点变为2个,增加了极化转换器的工作带宽。另一方面,利用超表面在电磁谐振时的高阻抗表面特性,获得了极低的同极化反射系数,提高了带内的总体转换效率。仿真结果显示,该结构能够在0.401~0.555 THz的宽频带范围内实现高效率的线极化转换,相对带宽约为32.5%,带内转换率高于95%。在理论分析方面,通过对高转换率频率下的表面电流与相位的仿真,阐明了宽带高转换率的机理。研究了该结构对于太赫兹波入射角度的依赖性,结果表明,该结构在0°~40°的入射角范围内均可保持较好的极化转换性能。同时,这款极化转换器具有设计简单的优点,这些工作能够对宽带高效的超表面极化转换器件设计提供设计思路。     

基于连续谱束缚态的高Q太赫兹全介质超表面

为了研究基于连续谱束缚态(BIC)高品质因子Q谐振, 提出了由双空心硅圆柱体组成太赫兹全介质超表面。采用数值模拟方法对结构的透射光谱及电磁场图进行了分析, 并利用本征模分析的方法研究了超表面结构参数对BIC频率的影响, 给出了该BIC超表面在太赫兹大频率范围工作的参数设计方法。结果表明, 在3.0THz左右实现了一个可调高Q环偶极Fano谐振; 本征模式的分析计算结果与入射电磁波模式的分析计算结果对称性不匹配, 该超表面支持的是一个对称保护BIC。此研究为基于BIC的高Q超材料在超低阈值激光器件、非线性光学谐波产生及高灵敏度传感等领域的应用提供了理论参考。     

基于集总电阻的S波段小型化超材料吸波器

提出了一种基于集总电阻的S波段小型化超材料吸波器(Metamaterial Absorber,简称MMA)结构, 并进行了理论分析和仿真验证。设计的MMA 基本单元结构由加载了集总元件的电谐振器、中间隔离层和金属背板组成。利用S 参数反演算法求出等效阻抗,结果表明集总电阻的加入使该MMA 在较宽频带范围内有较好的阻抗匹配特性。根据等效电路理论,分析了MMA谐振吸收频率与其单元结构几何参数之间的关系。通过MMA 单元结构表面电流和能流分布分析了其吸波机制。不同模式下的极化角和斜入射角吸收率表明:该MMA具有极化不敏感和宽入射角特性。进一步研究MMA 结构-参数对其吸波性能的影响,通过单元结构几何参数和集总参数的调节获得最优的MMA模型。最终,通过MMA基本单元结构的进一步优化设计,使其在1.9～6.0GHz 范围内吸收率达到90%以上,对应的相对带宽达到101.9%。该设计有望在电磁能量捕获及隐身领域拥有潜在应用价值。     

一种基于电耦合的电磁诱导透明超材料

利用两种谐振结构之间的电耦合,设计了一种可以实现电磁诱导透明现象的新颖电磁超材料。该超材料通过将工作于同一谐振点(5.21 GHz)、不同品质因数(Q值)的金属谐振结构组合在一起,利用两者之间的近距离、高耦合实现了"亮模型"对"暗模型"的激励,从而实现了位于5.31 GHz处的诱导透明窗口,透射峰值达到0.85。并且从透射参数、表面电流、电磁场分布等方面分析了其工作机制。这种超材料在实现高性能微波天线罩等方面有着潜在的应用价值。     

宽带低交叉极化超材料漏波天线的设计

基于基片集成波导结构提出了一种新型双层电磁超材料单元，并验证了其左手特性。将超材料单元应用于漏波天线的设计，所设计的天线由15个双层电磁超材料单元组成。将设计好的天线进行加工测试，测试与仿真结果吻合较好，表明漏波天线的工作频带为7.20~12.70GHz，在工作频带内可实现从后向-78°到前向+80°的连续主波束扫描，天线在工作频带内的测试增益均大于10dBi，峰值增益为15.2dBi，3dB增益带宽达到50.2%。此外，该漏波天线具有很低的交叉极化电平，交叉极化始终比主极化低至少30dB。相比于新近文献报道的同类型超材料漏波天线，所设计的天线具有更加优越的电气性能。     

基于超介质的超宽带小型化天线设计

采用SRR 环和CLP 环两种不同谐振单元,构造了一种新型超介质结构单元。该单元的电谐振和磁谐振的谐振频点比较接近,易于频带融合,从而拓展超介质材料双负(介电常数和磁导率都为负)特性的频率带宽。利用加载的方法,在单极子天线上加载该种新型超介质结构单元,以改善天线的辐射特性。利用电磁仿真软件对其进行了仿真设计和优化。仿真结果表明,该天线实现了超宽带工作,在3. 8 ~ 14GHz 的频率范围内,驻波比小于2;同时,天线实现了高增益特性,在整个频率范围内,增益都高于7dB。最后,对天线进行了加工测试,实验测试结果与仿真结果基本吻合,进一步验证了该天线的工作性能。     

宽频带宽角域扫描的圆极化相控线阵设计

针对传统相控阵工作频带窄、圆极化波束扫描角度小的问题,设计了一款宽波束天线单元以及1×6相控线阵。采用叠层贴片技术展宽天线的阻抗带宽,设计新型的三维地结构拓展天线的波束宽度,利用介质匹配层技术改善天线在低仰角区域的阻抗匹配,并通过双点馈电实现圆极化辐射。仿真与实测结果表明,天线单元的3 dB波束宽度在4.3~5.6 GHz的频带内均大于115°。天线阵列在4.5~5.3 GHz的频带内,主波束的最大扫描范围为-57°~58.5°,其3 dB波束覆盖范围达到185°,在主波束的扫描范围内轴比小于6 dB,具有良好的宽频带宽角域的圆极化扫描特性,在卫星通信、移动基站等领域有广阔的应用前景。     

基于NaCl溶液的可重构电磁屏蔽体设计北大核心CSCD

为了实现电子信息系统在正常电磁条件下的通信电磁信号传输和强电磁干扰条件下的电磁防护双重功能,提出了一种利用NaCl溶液设计的可重构电磁屏蔽体。利用传输线阻抗匹配原理,对未加载溶液的固体封装结构进行了阻抗匹配设计,实现通信电磁信号的高效穿透传输;在强电磁干扰条件下,利用泵浦等方式将NaCl溶液注入空气夹层,促使原先的阻抗匹配设计失效,并利用溶液吸收损耗特性实现强电磁干扰信号的阻断或削弱。实例计算结果表明,电磁屏蔽体在正常电磁条件下可实现窄带通信电磁信号的无反射、零吸收、全透明传输;在强电磁干扰条件下通过注入NaCl溶液和调节其盐度,实现屏蔽效能的调谐,并在宽频带内达到了电磁屏蔽的标准要求。     

无线电能传输中电谐振耦合机理分析

针对在无线电能传输分析中多以磁耦合谐振技术为主,缺少对电谐振耦合机理的分析这一问题,文中根据对称性原理,提出无线电能传输机理中应该包含磁谐振耦合和电谐振耦合两种谐振耦合机理,并从电路的对偶性角度出发,给出了电谐振耦合电路模型并推导出传输功率增益的理论公式。通过对电路参数的分析得出了传输功率增益的变化规律,为无线电能传输系统的设计提供了参考。     

A novel transmission line characterisation based on measurement data reconfirmation

Due to inherent resonance effects and frequency-variant dielectric properties, it is very difficult to experimentally determine the stable and accurate circuit model parameters of thin film transmission line structures over a broad frequency band. In this article, a new, simple and straightforward frequency-variant transmission line circuit model parameter determination method is presented. Experimental test patterns for high-frequency transmission line characterisations are designed and fabricated using a package process. The S-parameters for the test patterns are measured using a vector network analyzer (VNA) from 100 MHz to 26.5 GHz. The parasitic effects due to contact pads are de-embedded. The frequency-variant complex permittivity and resonance-effect-free transmission line parameters (i.e., the propagation constant and characteristic impedance) are then determined in a broad frequency band.     

Wide band radar cross section reduction by thin AMC structure

A new thin and wideband RCS reduction metasurface is designed and fabricated by using two different AMC unit cell tiles arranged in chessboard like configuration. One of these tiles is formed by saltire arrow unit cells, whereas the other one is formed by Jerusalem unit cells which are designed to achieve out phase difference at broad frequency range. This metasurface reduces the RCS more than 10-dB from 15.75 GHz to 41.3 GHz (90% bandwidth). The designed metasurface works properly at both TE and TM propagation modes, also. Moreover, it has stable 10-dB RCS reduction bandwidth for TM propagation mode up to 50° oblique incident angle and 30° for TE ones. These good specifications prove the designed metasurface capability compared with the state of the art references.     

Asymmetric Fission Transmission of Linear-to-Circular Polarization Converter Using Bi-layer Split Ring Structure

A circular polarizer based on bi-layer split ring structure is proposed that could achieve asymmetric fission transmission of linearly polarized wave at the dual band. Firstly, a new approach of “Fission Transmission of Electromagnetic (FTEM) waves” is introduced to understand the polarization transformation behavior for linear-to-circular polarization. The designed structure achieves broadband circularly polarized wave with an asymmetric transmission over resonance frequencies by the principle of FTEM wave. The electronics circuit of proposed structure demonstrates the transformation behavior of EM waves when the electric and magnetic coupling between the upper and lower patterned SRR is reached at the certain strength. The physics of the giant circular dichroism effect and optical activity is illustrated by the surface currents distribution on the structure. The proposed structure achieves a right-handed circularly polarized wave and left hand circularly polarized wave with high transmission at 13.94–15.70 GHz and at 16.0–17.03 GHz, respectively. The axial ratio bandwidth of 11.76 and 6.86% is obtained at the dual band. The simulated and measured results exhibit good correspondence.     

基于超表面的高效宽带双极化转换器设计

超材料和超表面因表现出天然材料所不具备的特 殊性能而广泛应用于电磁波调控。针对宽频带、高效率和小型化极化 转换器应用需求,本文设计一款宽带高效反射型超表面双极化转换器。基于电磁波极化调控 原理,在两角切方形贴片的基础上, 设计一款圆角切方形贴片周期性阵列超表面,实现单一宽频带内高效率线极化和圆极化转换 。研究表明,该极化转换器在6.850—11.050 GHz频段内极化转换效率(po larization conversion ratio,PCR)达90%,且性能可维持在入射 角 ≤45°范围内,覆盖整 个X 波段,实现高效率宽入射 角线极化转换;在6.225—6.402 GHz和12.562—13.472 GHz频率范围内轴比(axial ratio, AR)低于3 dB,实现高效率圆极化转换。此外,该超表面具有结构简单、宽入射角、加工方 便等优点,可满足微波通信、显微成像等领域的应用需求。     

应用于毫米波段的宽带波束调控超表面设计

毫米波段因其较高的数据传输速率和较大的容量而备受关注。为满足现代通信系统对宽带、波束偏转和高辐射效率等天线需求，本文提出了一种工作在88.5～94.6 GHz频带范围内的石墨烯-金属复合结构超表面。该超表面通过调节石墨烯的费米能级，对超表面单元的反射相位进行实时调控编码。调整金属层结构尺寸，可以调制不同编码状态下超表面单元的相位、幅度响应以及编码频段范围。经优化设计，在石墨烯费米能级分别为0 eV和1 eV时，编码超表面单元在88.5～94.6 GHz的宽频带内具有180°±20°的反射相位差，并且反射幅度均大于0.7。利用该单元设计了7×7的超表面，通过合理排布编码单元，可对毫米波段波束进行偏转和多波束切换等动态调控。实验结果显示，单波束最大偏转角度可达105°(-55°～50°),且可实现1～5个波束的切换。该超表面为多功能天线设计提供了新的解决方案，在高速无线局域网、车载雷达、卫星通信等领域具有潜在的应用价值，对毫米波段通信技术的发展具有重要意义。     

一种加载超表面结构的宽带天线设计北大核心CSCD

文中通过加载超表面(Metasurface,MTS)的方式设计了一款超表面的宽带微带天线,将传统的矩形辐射贴片替换成超表面结构,提高了微带天线的电性能。天线通过共面波导的阶梯型孔径馈电。超表面印刷在介质板顶面,而介质板底面为共面波导馈电电路,从而增加了超表面与底层馈电孔径之间的耦合。超表面和阶梯型的孔径共同作用,使天线获得了较宽的阻抗带宽。文中设计的天线结构简单,外形紧凑。该天线的-10 dB相对阻抗带宽约为56.4%(7~12.5 GHz),覆盖整个X波段,主辐射方向偏离法向30°。实验测试结果与仿真结果吻合较好,为军事领域中的侦查和探测以及超宽带短距离室内定位中的天线设计提供了思路。     

螺旋天线的快速分析及宽带化设计

研究了一种快速计算螺旋天线电特性的新方法,并结合遗传算法对天线进行了宽带、小型化设计。采用直线段对法向模螺旋天线进行划分,应用合成基函数及合成检验函数的矩量法对阻抗矩阵进行了降阶处理,节省了求解矩阵方程所需的时间和存储量。结合遗传算法对加载法向模螺旋天线上的加载集总元件的值、加载位置以及匹配网络参数进行一体化优化设计,并采用Sherman-Morrison-Woodbury公式快速求解加载后的矩阵方程,提高了优化设计的效率。最后,成功设计了一副工作在100～1000MHz的宽带小型化螺旋天线。     

225MHz～512MHz宽带功放设计与仿真

根据宽带功放的设计原理,采用平衡式结构,负反馈技术,稳定化技术,传输线变压器以及微带混合匹配电路设计出了一款宽带功率放大器。用ADS对其进行优化仿真,通过分析仿真结果,可以看出在225 MHz～512 MHz频段内,放大器功率增益可达到23 dB,增益平坦度小于1.1 dB,理想情况下输入输出驻波比达到1∶1,并具有良好的稳定性。     

具有宽带特性的超材料设计与分析*

分别提出具有宽带负磁导率特性的圆盘结构超材料和具有宽带双负特性的互联圆盘结构左手材料。对任意极化的垂直入射波,圆盘结构超材料可在8.71GHz到15.19GHz的频段上产生负的磁导率,而互联圆盘结构左手材料则可在6.04GHz到7.40GHz的频段上产生双负特性。通过有限元仿真、本构参数提取、表面电流分布计算、结构参数扫描等方法,对圆盘结构进行了详细分析。结果表明,该结构通过外加磁场激励起的电流环路构成磁谐振回路,进而获得负磁导率特性。利用无限划分的方法,分析了该结构实现宽带特性的原理,推导了等效的磁谐振频率和品质因数的计算公式,并给出其等效电路结构。通过参数扫描,分析了贴片半径、基板介电常数、损耗特性和入射角大小对负磁导率特性的影响规律。对互联圆盘结构左手材料,在提取其等效本构参数的基础上,着重分析了电响应特性,详细推导了等效电等离子体频率的计算公式。