基于迂回相位和几何相位复合的散射调控超表面

提出了一种基于迂回相位和几何相位复合的电磁散射调控超表面设计方法,以实现不同入射角下对电磁波的独立调控。作为设计实例,采用能够实现宽带极化转换的开口谐振环(SRR)作为超表面结构单元,通过移动和旋转SRR同时引入迂回相位和几何相位,构成超表面反射相位设计方案。当电磁波垂直入射到超表面时,几何相位设计使得散射波分裂为两束,实现了分束功能;斜入射时,大部分散射波被引导至-1阶衍射通道,通过迂回相位设计实现了波束偏折功能。仿真和测试结果均验证了其良好的散射波束调控性能。基于几何相位和迂回相位的散射调控超表面设计方法丰富了超表面操纵电磁波的自由度,并可进一步与传输相位、共振相位等复合推广到全空间散射波束调控超表面设计。     

一种带有透波窗口的宽带RCS缩减超表面设计

超表面在调控电磁波的极化、幅值和相位等方面具有极大的优势。针对天线带外低散射的现实需求,通过复合极化旋转超表面和频率选择表面,调节极化旋转单元的响应厚度,实现了兼具高效极化旋转反射和同极化透波窗口的超表面设计。利用几何相位仅对交叉极化波有响应的特性,进一步通过棋盘阵列排布,在透波窗口的两侧实现低散射特性,其中透波带10.0~11.0 GHz插损低于1 dB;在4.5~7.5 GHz和12.0~17.0 GHz频带内实现低散射特性,RCS缩减接近10 dB。仿真和实验结果表明：文中所提出的超表面设计方法和架构具有宽带的RCS缩减特性和低插损透波特性,在隐身天线罩中具有潜在的应用价值。     

复合相位调控的单层双功能反射型超表面

基于传输相位与Pancharatnam-Berry（PB）相位的复合相位调控机制，采用单层介质结构，提出了一种单一圆极化（circularly polarized, CP）波入射和在反射的正交双极化信道条件下实现两种独立功能的双功能超表面。推导分析了传输相位与PB相位对同极化与交叉极化反射分量的相位调控机理，并提出了实现同时调控两种分量的单元设计要求。针对单元旋转造成的PB相位失真，提出了一种加载空心圆形贴片的单元改进模型，确保了相位的稳定性。通过精确调控两极化分量的波束空间相位分布，在单圆极化电磁波入射条件下，该超表面可利用两正交极化信道同时实现两种不同功能。仿真和测试结果表明，在右旋圆极化（right handed circularly polarized,RHCP）电磁波入射下，在13~15 GHz工作频段内，所设计的双功能超表面可在同极化反射信道获得携带轨道角动量（orbital angular momentum,OAM）的偏折涡旋波束，在交叉极化反射信道获得偏折笔形波束。该设计具有结构简单、加工成本低等优点，为实现圆极化信道复用与多功能集成提供了新的思路。     

基于相位控制超构表面的OAM 阵列天线RCS减缩研究

设计了一款基于相位控制超构表面的低雷达散射截面(RCS)轨道角动量（OAM）阵列天线，该天线由四元缝隙耦合微带天线组成，通过馈电网络为各单元馈送幅度值相等，相位值依次为0°、90°、180°、270°的激励，实现了1模态的OAM辐射效果。根据相位相消减缩RCS的原理，以2种人工磁导体单元为基础，构建了超构表面，以棋盘布阵的形式加载到阵列天线周围，实现了天线RCS的有效减缩。仿真结果表明：阵列天线的工作带宽为4.22~5.16 GHz，增益为8.91 dBi；阵列天线在5.3~7.0 GHz实现了8 dB的RCS减缩，在5.35~6.05 GHz实现了10 dB的RCS减缩。     

特异表面的异常折射特性研究

基于特异表面中各点的相位延迟精确可调的特性,设计了适用于太赫兹波段的特异表面,可用于实现光束传播方向的任意剪切和波前整形。对比研究了折射特性随入射光偏振态和相位分布不同而变化的规律,为实际应用提供了可靠的理论依据。     

透射型声超表面斗篷的设计

利用2种超表面(相位调控超表面和近零折射率超表面),构建了一种透射型声超表面斗篷.首先，设计了一种具有迷宫结构的近零折射率超表面，该超表面具有近零折射特性，能够使声波绕过障碍物，并沿原入射方向传播；其次，在近零折射率超表面外层基于亥姆霍兹共振结构设计了一种相位调控超表面，该超表面可以通过改变内部空腔长度来实现相位变化，既能调节声波相位，又能保持高透射率，确保声波有效通过.仿真计算结果显示，透射型声超表面斗篷在4 960 Hz频率下能有效隐藏方形物体.     

基于相位梯度的定向贴片天线设计

为了实现贴片天线在弹载末制导上的应用,提出了基于相位梯度的定向贴片天线。利用相位梯度超表面能够改变电磁波传播方向的特性,设计了一款辐射主波瓣大角度偏离法向的贴片天线。该天线由7个H型贴片组成,通过优化结构参数,得到了所需要的相位梯度。仿真和测试结果显示,由于相位梯度的引入,在工作频率为9.6GHz时,天线主波瓣的最大增益方向偏离法向45°。     

基于超构表面的低散射天线阵列

提出了一种将超构表面与天线阵列组合设计的方法,以同时实现高增益辐射和低背向散射功能。该超构表面由多层金属图案结构组成,对x极化入射波具有透射功能,从而能使天线辐射场低损耗透过;同时,对y极化入射波具有反射相位调制功能,通过将单元按照棋盘格或随机分布排列,可实现y极化入射波的漫散射功能,从而降低天线阵列的后向散射。仿真分析表明,所设计的低散射天线阵列峰值增益为18.8 dB,工作带宽约为12.5%。当探测波为x极化时,10 dB RCS缩减频带为9.5~10.1 GHz,覆盖天线工作频带,最大缩减值为25 dB;当探测波为y极化时,10 dB RCS缩减频带为7.8~12 GHz,最大缩减值高于35 dB。实测结果与仿真分析结果吻合良好。该低散射天线阵列利用超构表面的极化选择特性能实现透、反射功能集成设计,为低散射天线的研究提供了新的思路。     

人工表面等离激元馈电的宽带低旁瓣全角度波束扫描天线

提出了一款人工表面等离激元馈电的宽带全角度低旁瓣波束扫描天线。采用人工表面等离激元馈电卵圆形辐射贴片阵列和对跖Vivaldi辐射器，在快波区激发高次谐波实现漏波辐射，在慢波区呈现低损耗能量传输效果激励对跖Vivaldi的端射模式，从而实现了在4~12 GHz（相对带宽100%）内全角度（180°）波束扫描。进一步，通过对卵圆形辐射贴片进行锥形排布降低了天线在漏波辐射时的旁瓣水平。仿真结果表明，所设计的全角度波束扫描天线能够在4~12 GHz内旁瓣水平均在-10 dB以下。该天线在雷达探测、目标跟踪等应用场景具有重要应用潜力。     

基于表面等离子体波共振技术的精密角度传感器

为解决纳米技术中体积紧凑、高分辨率的测角问题,分析了表面等离子体波共振(SPR)的相位和振幅特征,根据共振角附近SPR的相位对入射角的高度敏感性,提出了基于表面等离子体波共振原理进行微小角度测量的方法,它具有测量分辨率高和体积紧凑的优点。研制了实验装置并进行了测角实验,测量分辨率达1.4×10     

多孔硅表面Si-OH结构的研究

建立了2×1的表面为Si-OH结构的多孔硅(Porous Silicon,PS)模型,在周期性边界条件下的K空间中,采用基于密度泛函理论广义梯度近似的平面波超软赝势方法,对Si-OH结构进行几何结构与电子结构的计算研究.通过分析优化后稳定的Si-OH结构,从理论上证实多孔硅的结构是完全不规则的,表面结构中两类Si-O键长值分别介于0.161-0.163 nm之间和0.168-0.170 nm之间,两类O-H键长值分别为0.097 nm和0.098-0.100 nm,角∠Si-O-H的值主要分布在109.0°-116.3°之间,角∠O-Si-O的值主要分布在96.2°-98.5°之间;最后通过电子局域函数ELF图分析了表面成键与表面电子分布特性.     

不同材料逆古斯汉欣位移机理的对比研究

通过计算分界面附近的能流矢量曲线,对贵金属、超材料和负折射光子晶体表面的逆古斯汉欣位移的物理机制进行了研究.结果表明,虽然一定频率的入射光波在这3类材料表面反射时都能产生逆古斯汉欣位移,但逆古斯汉欣位移发生的物理机制完全不同.金属表面产生的逆古斯汉欣位移是因为TM偏振入射光诱导金属表面自由电子振荡,从而激发表面等离子体波;超材料表面产生的逆古斯汉欣位移是因为反射光束相对入射光束发生了相位突变;负折射光子晶体表面产生的逆古斯汉欣位移是光子晶体的等效负折射效应和周期性表面的综合作用,即全反射时激发了后向表面波.     

一种单面评估表面细小凹坑的波型转换新方法

提出一种根据小型转换原理单面评估表面半球形细小凹坑直径的新方法，用自制的电磁超声换能器测定了纵波（Ｐ波）正入射至多种不同直径的凹坑上后转型横波（ＳＶ波）的标准散射指向图，提出了以４５°和６０°散射方向ＳＶ波的振幅比作为凹坑直径评估的依据，凹坑评估测量值与实际值符合较好。     

基于高阻抗表面材料电磁特性的矩形波导

基于高阻抗表面材料奇异的反射相位性质,以此高阻抗表面为一壁构建一矩形波导。将一偶极子天线置于波导中,采用时域有限差分(FDTD)数值模拟得到偶极子天线的回波损耗以及H面和E面的辐射方向图。研究结果表明:置于此波导中的偶极子天线的增益大大提高,而且体现出良好的辐射方向性;不同长度的偶极子天线的回波损耗及高阻抗表面的反射相位有助于确定矩形波导的工作波模频带;以高阻抗表面为壁构建的矩形波导,可以克服谐振条件对波导尺寸的限制。     

超构表面设计及其应用

超构表面作为二维形式的超构材料,在分界面处可以对透射、反射电磁波产生特定的相位分布,因此能够灵活调控电磁波前。超构表面的低剖面二维平面结构,在电磁调控领域具有广泛的应用前景,一系列的超构表面应用应运而生。主要介绍了超构表面的设计发展以及其应用,主要包括天线应用、RCS减缩、特殊波束、有源超构表面等4个方面。首先,在天线应用方面,超构表面可用于实现高增益透镜和极化转换功能;其次,从吸波型和散射调控型2种不同工作机理的角度介绍了应用于RCS减缩的超构表面;然后,针对特殊波束,主要介绍了超构表面在涡旋波束和全息成像中的应用;最后,从加载不同有源原件的角度分析有源超构表面的发展,并未来超构表面发展值得深入研究的方向。     

具有雷达散射截面缩减特性的各向异性编码超表面

本文提出了一种具有雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）缩减特性的各向异性编码超表面。它由金属贴片、介质基板以及金属接地板组成，通过在传统方形贴片的基础上引入各向异性的矩形贴片，实现了对X、Y极化波的不同缩减。超表面单元间存在180°的反射相位差，以此为基础对超表面进行分区域设计，超表面整体设计成对称结构。所有单元产生的辐射场叠加，使入射到其表面的电磁波均匀地反射至各个方向，实现RCS缩减。结果表明，该超表面在X、Y极化波垂直照射下，RCS缩减量高于10 dB的带宽分别为5.75 GHz(16.35 GHz～22.1 GHz)和5.67 GHz(16.18 GHz～21.85 GHz)，最大缩减量分别出现在20.9 GHz和16.9 GHz。与传统算法实现的编码超表面相比，本文提出的超表面设计流程简单、易于实现。此外，该超表面具有低剖面、小型化等特点，可有效用于选择性电磁隐身。     

组合波片的椭圆率角测量方法

为精确测试组合波片的椭圆率角,提出了一种基于Mueller矩阵的椭圆率角测量方法.建立了组合波片的偏振模型,通过测量其Mueller矩阵,利用非线性拟合同时获得相位延迟、快轴方位和椭圆率角3个参数,并利用Mueller矩阵椭偏测量系统分别计算测量了λ/4和λ/2组合零级波片,结果表明基于此方法的拟合误差在0.004以内,椭圆率角和快轴方位角的测量误差为0.11°,相位延迟的测量误差为0.22°.通过本方法还发现组合零级波片的椭圆率角和快轴方位随波长震荡,λ/4和λ/2组合零级波片的震荡幅度分别为1°和0.4°.本方法适用于任意组合波片的椭圆率角测量,应用范围广.      

基于平面弯折偶极子结构的波束可控天线

为解决因发射/接收天线相对位置变化而引起的信号衰减的问题,提出一种基于平面弯折偶极子结构的波束可控天线。该天线由6个独立的弯折偶极子辐射片与位于中心的反射片组成。通过改变馈源的位置,实现天线360°范围内的辐射方向图控制。位于中心较长的金属贴片实现电磁波的反射,增强天线特定方向的有效辐射。仿真及测试结果表明,天线工作频段为1.92~2.10 GHz,辐射前后比达到24 dBi。 6个可控辐射方向的3 dB辐射角为120°。仿真和测试结果比较吻合,该天线满足通信系统要求。     

基于吸散一体隐身超构表面的透射型涡旋电磁波产生器设计

涡旋电磁波因其独特的"空心圈"状辐射场强度、螺旋前进的相位波前以及不同模式间相互正交等独特的电磁特性在雷达探测、成像、保密通信等领域有着巨大应用前景.本文设计了一种基于吸散一体隐身超构表面的透射型涡旋电磁波产生器,超构表面在沿+z方向的Vivaldi天线的球面波激励下,可在透射方向高效地产生拓扑电荷数l=+1的涡旋电磁...     

一种单面评估表面细小凹坑的波型转换新方法

提出了一种根据波型转换原理单面评估表面半球形细小凹坑（０．９５～２．５ｍｍ）直径的新方法,用自制的电磁超声换能器测定了纵波（Ｐ波）正入射至多种不同直径的凹坑上后转型横波（ＳＶ波）的标准散射指向图,提出了以４５°和６０°散射方向ＳＶ波的振幅比作为凹坑直径评估的依据,凹坑评估测量值与实际值符合较好．