基于人工表面等离激元的小型化电可调缺口带滤波器

具有小型化的缺口带滤波器在微波集成系统中具有广泛的应用前景.本文基于倒山形单元的人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)提出了一种新型小型化电可调缺口带滤波器.与相同横向尺寸的传统SSPP单元相比,所提出的倒山形单元的色散曲线表现出更好的慢波特性,渐近频率降低至原来的55%.缺口带的频率可通过调整变容二极管两端的偏置电压来动态控制.随着偏置电压从0.5 V增至30 V,缺口带频率从2.1 GHz移动到2.3 GHz,实现动态调节.仿真结果表明,缺口带滤波器通带内实现了较低的插入损耗(S_(21)<-1 dB)和良好的回波损耗(S_(11)>-10 dB),并且具有小型化的优势,尺寸仅为0.78λ_(g)×0.35λ_(g),λ_(g)是中心频率处的波长.采用印刷电路板技术实际加工了缺口带滤波器.实物测量和仿真结果吻合较好,验证了设计的可靠性.

基于非线性电路的双频带脉冲波选择性超表面吸收器设计

本文提出一种基于非线性电路的双频带脉冲波形选择性超表面吸波器(MetaSurface Absorber,MSA).设计的双频带MSA单元结构由放置在同一平面上两个形状相同但线宽不同且集成二极管与电阻电容并联的非线性电路的金属方环形谐振器、中间介质层以及金属接地面构成.仿真结果表明,在-20~10 dBm功率范围内,双频带MSA随功率的增加对短脉冲波吸收率先增大再减小.当功率为-5 dBm时,设计的双频带MSA对脉冲波吸收率在3.2 GHz和4.1 GHz分别可达97%和92%,连续波吸收率只有28%和39%.另外,MSA吸收率随脉冲宽度的增大逐渐减小.进一步研究表明,该双频带MSA在功率为-5 dBm的TE模和TM模脉冲波,斜入射角为0°~60°范围内吸收率超过70%.还研究了非线性电路中电阻、电容参数对设计的MSA脉冲波和连续波吸收率的影响.本文所提出的双频带脉冲波选择性MSA显示了其在无线通信以及抗电磁干扰领域具有潜在的应用前景.

基于环形谐振器集成非线性电路的脉冲波超表面吸收器设计

当前研究设计的超表面吸波器(MSA)具有良好的电磁(EM)波吸收特性,然而很少考虑入射电磁波形式和功率的影响。该文提出一种在相同频率下可以选择性吸收特定脉冲波的非线性电路MSA。设计的MSA单元结构由集成二极管与电阻电容并联的非线性电路的金属方环形谐振器,中间介质基板隔离层和底部接地层组成。结果显示该MSA对50 ns的短脉冲波在3.2 GHz吸收率可达97%,而对应同频率下的连续波吸收率只有21%。在3.2 GHz附近,该MSA对50 ns短脉冲波吸收率随着功率不同而动态调节且总保持在60%以上,而对应的连续波吸收率只固定在20%左右。当增大脉冲宽度时,设计的MSA吸收率先增大后显著减小。功率为0 dBm和–4 dBm的脉冲波TE模和TM模斜入射情况下,设计的MSA吸收率仍然超过60%。进一步的研究结果表明该MSA对短脉冲波吸收特性严重依赖于非线性电路电容以及单元结构几何参数设计。该研究在无线通信、抗电磁干扰、电磁兼容等领域具有潜在的应用前景。

基于沙漏形人工表面等离激元和交指电容结构的双频滤波器设计

本文提出了一种在共面波导(coplanar waveguide,CPW)上加载沙漏形人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)和交指电容结构的双通带滤波器.首先,在共面波导传输线上引入了沙漏形SSPP单元结构和交指电容结构,以获得高分数带宽、低插损的通带特性.然后,通过加载交指电容环路谐振器激发陷波,形成双通带滤波器.仿真结果表明,所提出的双通带滤波器具有良好的上边带抑制和双通带滤波性能.两个通带的相对带宽分别为46.8%(1.49—2.40 GHz)和15.1%(2.98—3.63 GHz),可在4.77—7.48 GHz的范围内实现超过—40 dB的抑制,且可通过改变相应的结构参数独立调控两个通带的上、下截止频率.为深入了解双通带滤波器的工作原理,给出了相应的色散曲线和电场分布、LC等效电路分析.最后,根据优化后参数数值,加工出滤波器原型实物.实验结果与仿真结果吻合良好,由此表明提出的双通带滤波器在微波频率的集成电路应用中具有重要意义.

基于戟形人工表面等离激元的紧凑型宽带外抑制带通滤波器

提出了一种基于戟形人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)的具有宽频带外抑制特性的紧凑型宽带带通滤波器.设计的滤波结构是通过在基板底层蚀刻周期性的戟形槽和在顶层加载带有月牙形贴片的微带到槽线过渡结构实现的.与传统的I形SSPPs相比,戟形SSPPs具有更好的慢波特性,基于戟形SSPPs设计的带通滤波器可以实现更紧凑的结构.设计的滤波器通带的上下截止频率可以分别通过调整SSPPs结构和微带到槽线过渡结构来调节.仿真结果表明,宽带带通滤波器中心频率为2.85 GHz,相对带宽为130%,通带内的回波损耗优于–10 dB,在5.6-20.0 GHz之间具有极强的–40 dB带外抑制.设计的宽带带通滤波器结构尺寸紧凑,仅为1.08λ_(g)×0.39λ_(g),其中λ_(g)是中心频率处的波长.为了验证宽带带通滤波器的有效性,采用传统的印刷电路板技术加工了宽带带通滤波器.测量结果与仿真结果吻合较好,验证了设计的可行性.本文所提出的宽带带通滤波器显示了在微波频率下开发SSPPs功能器件和电路的良好前景.

基于几何相位超表面的高效独立双频点圆偏振太赫兹波束调控

为了克服超表面普遍具有的波长依赖性,提出了一种基于几何相位的多功能超薄超表面,在双频点处对透射圆偏振太赫兹波实现独立波前调控。该超表面单元由表层金属层和中间介质层组成,其中表层金属图案相同,均是由双C型开口环谐振器、中间金属圆环和长方形金属片谐振器构成。通过分别旋转表层金属谐振器,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位。将单元结构按照特定的规律排列,可对入射波的波前实现任意调控,例如,在低频f_(1)=0.701 THz,分别实现了携带拓扑电荷数+1、+2、+3、+4的涡旋波束,其纯度均在60%以上;在高频f_(2)=1.663 THz,实现了对入射圆偏振波的汇聚,且焦距误差仅为0.04。仿真结果表明,设计的超表面在双频点处对电磁波具有良好的调控。

基于双开缝环结构的半反射和半透射超宽带超薄双偏振太赫兹超表面

提出了一种基于双开缝环结构的半反射和半透射双偏振超宽带太赫兹超表面,能实现光束偏折和生成涡旋光束.该超表面单元结构仅由附着在超薄介质层上的金属双开缝环构成,在超宽频带范围内同时调控反射和透射太赫兹圆偏振(circular polarization,CP)波和线偏振(linear polarization,LP)波.基于传输相位和几何相位理论,改变开缝环的大小和旋转方向,在0.3—1.2 THz范围内可以实现透射和反射的正交LP波和CP波在0—2π相移全覆盖,对应的正交LP波和CP波平均幅值为0.45的相对带宽分别达到86%和120%.本文特别设计了全空间超表面模型,实现了LP波和CP波光束偏折与生成涡旋光束.这些研究有助于全空间多功能太赫兹超表面器件的实现和实际应用.

光驱动宽频带可调谐太赫兹吸波器设计

设计了一种基于光敏材料硅(Si)的宽频带极化不敏感的光驱动可调谐太赫兹超材料吸波器(metamaterial ab-sorber,简称MMA).该可调谐太赫兹MMA基本单元结构由嵌入光敏硅的紧凑开缝环谐振器结构、中间介质隔离层与金属底板构成.硅的电导率随着入射光的强度而发生改变,从而使太赫兹MMA工作频率和吸波性能得到有效的调节.数值计算结果表明:当硅电导率在1. 0×10~3S/m到5. 0×10~5S/m范围内动态调节时,该MMA吸波特性在0. 442 THz到0. 852 THz范围内动态调节.另外,其相对调节带宽达到63. 37%,吸收率调制深度达到60. 22%.进一步的数值计算结果表明我们所设计的MMA具备极化不敏感和宽入射角的特性.

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。

基于同步挤压小波变换的电力系统时变谐波检测

针对噪声影响下时变谐波检测问题,提出基于同步挤压小波变换(SWT)的检测方法。首先利用SWT算法将混有噪声的时变谐波信号分解为不同的内蕴模态函数分量(IMTs),进而提取出所含谐波分量,然后对每个谐波分量进行Hilbert变换,得到每个本征函数的瞬时频率和幅值及谐波扰动的起止时刻。基于SWT准确的模态分离能力,实现了各谐波的瞬时频率、瞬时幅值和谐波扰动的起止时刻等参数较高精度的获取。与传统的希尔伯特-黄(HHT)方法相比,该方法对于谐波的分离能力更强,对噪声有更强的鲁棒性。仿真及实际数据表明,所提方法在噪声环境下依然能精确提取各个模态,验证了该方法在时变谐波检测分析中的有效性。

基于负磁超材料增强的无线能量传输系统设计

提出了一种基于负磁超材料耦合增强效应的无线能量传输系统。首先,利用磁偶极子近似方法对引入负磁超材料的无线能量传输系统的传输特性进行了建模和理论分析。然后,依据理论模型,设计了小型化无线能量传输系统,并通过仿真和实验进行了验证。实验结果表明:在无线能量传输系统中加入非正定负磁超材料板,在10cm距离下传输效率从0.7%提高到22%,且其传输效率随距离增加而衰减的速度会随负磁超材料的引入而减小。

基于平面螺旋结构的极化不敏感超材料吸波体研究

设计了一个基于平面螺旋结构的极化不敏感超材料吸波体。实验测试结果表明,在2.2 GHz处,超材料吸波体的反射率达到了-4.5dB。其总厚度为2.2mm,约为1/62个工作波长,面密度为0.88kg/m2。当金属基板的一条直角边与电场极化方向夹角分别为0,30,45,60和90°时,仍然具有同样低的反射率,超材料吸波体对垂直入射电磁波极化方向是不敏感的。与传统的吸波材料相比,该超材料吸波体实现了轻质、薄型化,且对入射电磁波极化方向不敏感。

平面分层介质的有效电磁参数

对于电小厚度的平面分层介质,在电磁波垂直入射情况下,根据边界条件把中间层介质等效为一层得到了有效介电常量和有效磁导率的表达式,为分析电磁波在多层介质中的传播问题提供了一种有效方法.

基于十字形结构的相位梯度超表面设计与雷达散射截面缩减验证

基于十字形结构设计了一种在雷达波低频段极化不敏感的相位梯度超表面,并通过仿真和实验进行了验证.不同金属十字周期结构单元复合,在超表面上形成附加的平行波矢分量,对反射波波前进行调控,获得超表面后向雷达散射截面积(RCS)缩减.在设计波段内,超表面在法线方向的单站RCS缩减达18.19 d B,偏离法线-30?—+30?范围的单站RCS平均缩减达8 d B;仿真与实验结果符合较好.

基于伪随机码调制的车载激光雷达距离速度同步测量方法

针对双检测器激光雷达系统用于同步测量道路目标距离和速度时存在的成本高、回波利用效率低的问题,提出了一种基于伪随机(PN)码调制的脉冲式多普勒激光雷达结构模型,研究使用单个光外差接收器同步测量目标距离和速度的可行性并通过计算机仿真验证方法的性能。首先,给出激光雷达的系统模型,分析模型在脉冲方式下用于距离和速度测量时存在的问题;然后,讨论通过单个光外差接收器输出的电信号计算目标距离和速度的方法,即计算输出信号与本地调制码的相关函数确定激光飞行时间进而得出目标距离和使用非等间隔采样信号频谱分析方法确定输出信号的多普勒频率进而得出目标的速度;最后通过仿真验证所提出的方法可同时实现目标距离和速度的稳定检测。实验结果表明,在道路环境中该方法可实现目标距离和速度的稳定可靠测量,与直接检测系统相比,测量的灵敏度可提高10 dB以上,且与回波的到达时间、多普勒频率的大小无关。

基于卫星延迟容忍网络的拥塞控制机制研究

针对卫星延迟容忍网络(Delay Tolerant Network,DTN)中因卫星节点资源受限引起卫星节点拥塞问题,且由于DTN的保管传输特性不适用于传统拥塞控制机制,提出一种具有通用性的基于节点拥塞状态的队列优先级拥塞控制机制(Queue Priority Congestion Control mechanism based on Congestion State,QPCC-CS).QPCC-CS机制能适用于多种DTN路由策略,处理拥塞时将卫星节点按拥塞程度进行分类,并按照不同的拥塞状态对卫星节点消息转发进行优先级队列化,同时清除冗余消息副本,通过消息迁移与消息删除相结合的方式处理溢出的消息,管理卫星节点缓存来缓解卫星节点拥塞.经仿真相比原路由策略QPCC-CS策略的加入能提高卫星数据投递率,降低了卫星网络传输开销,能给卫星DTN提供更好的性能需求.

双频带相位梯度超表面设计与RCS缩减验证

设计了由两种不同开口谐振环结构组成的双频带相位梯度超表面。超表面中两种结构单元周期交错排列,在两个频点引入附加平行波矢量调控电磁波波前,获得低平板反射率及后向雷达散射截面积(RCS)缩减。仿真与实验均表明,该设计思路和方法行之有效,在7.8 GHz和9.4 GHz两个设计频点,将垂直入射波耦合成伪表面波,偏离法线-30°^+30°的单站后向RCS缩减分别为10.3 d B和10.4 d B。由于其设计的灵活性,该超表面波有望在天线、隐身领域具有潜在的应用价值。

随机编码超表面的RCS缩减特性研究

基于漫反射和随机编码理论提出一种应用于雷达散射截面积(RCS)缩减的超表面,并通过仿真和实验进行验证。首先,简要阐述了漫反射和随机编码理论,并设计一种基于金属分割线结构的线极化转换超单元。该结构基于"0"、"1"两种基本单元进行编码,在宽频段范围内实现180°反射相位差。仿真结果表明,超表面在6~14GHz频段内,线极化转换率高达90%,RCS缩减大于10 d B的带宽达到6 GHz。然后,设计三种随机编码超表面,进行制备和实验测试。实验结果表明:在5.5~13 GHz频带范围内,三种随机超表面在垂直入射时的反射率小于–10d B,存在6 GHz带宽RCS缩减大于10 d B,与仿真结果基本一致。另外,斜入射情况下,同样能得到有效的RCS缩减,随机编码超表面具备宽角度入射RCS缩减特性。该设计为雷达隐身技术提供了一种新的途径。

基于Golomb序列调制的目标距离速度测量方法

针对连续波激光雷达在同步测量目标距离和速度的应用中存在辐射信号上限峰值功率低、测量极限距离近的问题,提出一种基于Golomb脉冲序列调制的测量信号波形,研究该方法在道路环境中同步测量目标距离和速度的可行性。首先,以一种准连续波,即伪随机(PN)码调制为例分析连续波调制方法存在的发射信号峰值功率低的问题,在此基础上讨论Golomb序列的特征,提出使用Golomb序列调制发射信号提高发射脉冲峰值功率的方法;然后,讨论Golomb序列调制的多普勒信号频谱分析方法和基于数据累加的延迟时间定位方法,实现同步测量目标的速度和距离;最后,在道路目标产生的多普勒频率范围内,通过仿真实验验证该方法的正确性。实验结果表明,在以脉冲序列构成的对多普勒信号平均采样率远低于奈奎斯特频率的条件下,仍然可以通过快速傅里叶变换(FFT)方法获得多普勒信号的频率,从而在发射平均功率恒定的条件下极大提高单脉冲的峰值功率;另外,利用Golomb序列的不等间隔特性,通过数据累加方法可以完成对激光脉冲飞行时间的定位,在保证了速度测量的同时实现对目标距离的测量。

Yb取代钇铁石榴石中微波磁介电效应初探

采用固相反应法制备了稀土位掺杂的钇铁石榴石铁氧体YbxY3-xFe5O12(Yb-YIG),利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪与振动样品磁强计等测试手段,探究了Yb^3+离子掺杂量对于钇铁石榴石晶格结构、元素价态以及静态磁参数等方面的综合影响,同时深入剖析上述材料体系中铁磁共振关联的微波共振型磁介电效应这一新现象的物理图像,并揭示稀土位掺杂对该共振型磁介电效应的调控机制。研究表明,Yb^3+掺杂量的逐渐增加,将导致Yb-YIG的晶格发生明显收缩,体系饱和磁化强度与矫顽力将相应地增大与减小。上述晶格收缩现象将有效抑制高温烧结过程中的氧逃逸,使得Yb-YIG体系中Fe^2+离子的含量与氧缺陷的数量随Yb^3+离子的增加而逐渐减小,并最终导致了Yb-YIG中微波磁介电效应系数的降低。