界面电磁学的理论与应用

近年来以超构表面(metasurface)为代表的各种新型电磁表面在微波、太赫兹、光学频段不断涌现,一个新的被称为“界面电磁学”的电磁学研究领域正在逐渐浮现。文章首先对界面电磁学做了一个概述,主要明确了其学科定位和研究框架。基于其研究框架,对界面电磁学的基础理论、表面设计和系统应用三个方面逐一进行了深入介绍。相信界面电磁学的系统深入研究将会给电子信息系统带来重大的影响和变革。

基于微波网络理论的可重构超表面单元设计方法与性能上限分析

在微波频段,应用在可重构超表面单元上的开关往往具有良好的通断性能,可以在单元层面实现低损耗、180°相位差的1-比特相位量化特性.随着频率提升到毫米波甚至太赫兹频段,开关性能会因为寄生效应而下降,引起可重构超表面单元的设计困难.在本工作中,将可重构超表面单元的等效为一个微波二端口网络模型,通过分析网络的阻抗参数和散射参数,指出了单元反射系数与开关反射系数的传递关系.所提的关系式,经过不同频段的不同开关与单元结构的仿真验证.本工作可以根据任意开关参数,给出1-bit的单元的性能上限,所提的设计流程可以指导太赫兹可重构超表面单元的设计与优化.

基于界面电磁学的新型相控阵天线

界面电磁学是电磁学领域的一个前沿研究方向,对于新型微波和天线器件设计具有重要的理论指导意义.文章对界面电磁学进行了简要介绍,包括其发展历程、学科定位,以及关键研究内容.还进一步提出了基于界面电磁学的相控阵天线设计新思路,并给出了多个相控阵天线设计实例,包括采用旋转式电磁表面的微马达相控阵、采用电调数字表面的超大口径相控阵(10 240单元)、超高频率相控阵(96GHz)和透射式相控阵.最后介绍了新型相控阵在微波/毫米波安检成像系统中的应用,实验结果证明了全电调快速空间成像的可行性与成像精度.

Ku波段编码式电控超薄周期单元设计与验证

编码式电控周期单元通过加载电子控制器件使周期结构具有编码式的电可调特点.本文利用PIN二极管,设计实现了一种工作在Ku波段的超薄平面电控单元结构.当外加电压控制二极管导通或截止时,该结构的反射相位呈现出180?的相位差,并且具有较低的反射损耗.因此,当对周期排列的单元外加不同的电压时,可等效为用不同组合的"1","0"对结构进行编码,从而可以获得不同的电磁功能.为验证单元的编码特性,从"场"与"路"两个角度考虑,设计了实际的偏置电路,制作了单元样品,并基于波导法测试了其性能.实验结果表明:在加载不同的控制电压时,制作的单元结构实现了设计的低损耗和相位差;实验与仿真符合良好.提出的周期单元形式简单,厚度超薄,其电控编码式特性在主动式隐身表面或波束捷变天线设计等许多方面都有潜在应用.

基于相控电磁表面的W波段雷达系统研究

该文将介绍一种W波段相控电磁表面雷达系统。这种工作在92~96 GHz的相控电磁表面天线,仅利用普通的印刷电路板(PCB)加工工艺及加工精度要求,通过合理的单元设计,可以控制掺杂本征材料的二极管(PIN)实现电流翻转,能轻便地、低成本地在W波段保证稳定的180°调相效果。进一步通过输入合适的空间编码,相控电磁表面天线可以形成具有不同指向的波束。这种具有空间波束扫描能力的透射型相控电磁表面天线,用作雷达系统的接收天线。该文提出的W波段相控电磁表面雷达系统及其加工和测试结果,为后续研究精确制导、目标识别、成像等应用提供了基础。

等效原理算法在不同等效面下的误差分析

等效原理算法(EPA)借鉴了区域分解的思想,并基于惠更斯等效原理实现了对大规模散射问题的计算.本文对EPA中的等效原理算子(EPO)进行了误差分析,选取了立方体、球体和进行了光滑处理的立方体等作为等效面寻找误差来源,并提出了误差改进的建议.根据计算结果,等效磁流在等效面上描述的误差一般集中在等效面表面的几何不连续处,且主要受等效面上的法向向量不连续性和基函数的选取的影响.故在选取等效面时应尽量考虑使用平滑的等效面,而不是直接使用立方体等效面.

基于Adam的电大目标快速仿真建模技术

针对传统电磁求解器存在计算速度慢、内存消耗大的难题,提出了一种基于自适应矩估计(adaptive moment estimation,Adam)的矩阵方程快速求解方法,用于提升矩量法的仿真效率,并结合相位提取基函数实现对电大目标的快速电磁仿真。数值算例表明:Adam能够实现矩阵方程的准确求解,且计算效率可得到较大提升。

基于电磁表面的阵列天线及应用概述

基于电磁表面的阵列天线是目前电磁学领域研究的前沿之一,基于此,对电磁表面阵列天线的早期发展、研究现状和应用情况进行了简要的汇总和介绍。首先,总结了电磁表面早期的发展历程。其次,汇总了电磁表面阵列当前的研究现状,包括可重构设计、宽带、太赫兹和多极化等。再次,给出了电磁表面阵列天线在通信、雷达、电磁环境调控等系统层面的最新应用。最后,对电磁表面阵列天线未来可能的研究方向进行了展望。

用于太阳能电站的一种分布式功率放大反射阵天线

分布式功率放大可用于提高反射阵天线的有效全向发射功率(EIRP)。为了达到实验验证的目的,设计并制备了12×12个单元的C波段反射阵天线,单元采用正交H形槽的孔径耦合贴片结构,并集成了功率放大器以有效提高天线EIRP。对单元进行了仿真计算,频率为5.8 GHz时,在不同的微带线长度和不同的斜入射角下,单元的反射系数低于-10.0 dB,隔离度优于31.8 dB。反射阵天线样机测试结果显示,天线具有较好的辐射方向图,有源增益为37.4 dBi,方向性系数为27.3 dBi;非线性性能测试结果表明,1 dB压缩点输入功率为24.8 dBm,测量EIRP可达61.2 dBm。