可调相位不连续人工电磁表面研究

Meta-surface is composed of unit cells which are much smaller than wavelength and distributed in two dimensional plane. Phase discontinuity surface (PDS) is one kind of meta-surface, which can be cagegorized into reflective type and transmissive type. Their reflective ( or transmissive) phase can be designed between 0 and 360 degree. The PDS has important or potential applications in technology fields, such as reflective antennas, energy coupling, planar lens, etc.. This project will focus on tunable PDS. For the reflective tunable PDS, we will solve the long standing problem of high energy loss in it. Based on the theoretical analysis for the origin of the high energy loss, we will design circuit to produce effective tunable capacitor, and integrate it into the unit cell to fulfill the low loss requirement. For the transmissive tunable PDS, we will first analyze the conditions to achieve 0 and 360 degree design range of the transmission phase in order to propose new unit cells with better performance. Then, we will investigate the tunable transmissive PDS with basically constant transmission magnitude, and use it to construct planar lens with adjustable focus or beam. Theoretical analysis, simulation and experiment will be carried out in the research process. This project will provide the solution to the high energy loss problem in tunable reflective PDS, find out the theoretical conditions for transmission phase design range from 0 to 360 degree, deliver tunable transmissive PDS with relatively constant transmissive magnitude, and planar lens with adjustable focus or beam. The project outcome will find important applications in reflective antennas, energy coupling devices, and planar lens, etc..

人工电磁表面是由尺寸远小于波长的单元在二维表面周期排列构成。相位不连续表面是人工电磁表面的一种，分为反射式和透射式两类。它们的反射（透射）相位可在0到360度之间设计，并在反射式天线，能量耦合，平面透镜等技术领域有重要或潜在应用。本项目研究可调相位不连续表面。对于可调反射式表面，主要解决长期存在的高能量损耗问题。在分析高损耗原因的基础上，我们将用电路方式实现等效可调电容,并集成到单元中达到低损耗的要求。对于透射式表面，我们将首先展开理论研究，找到实现0到360度透射相位设计范围的一般条件，为设计性能更好的单元提供指导。然后，我们将研究透射相位可调而透射幅度基本一致的不连续表面，并用其构成波束或焦点可调的平面透镜。研究工作包括理论分析，仿真设计优化和实验测量。项目将解决可调反射式表面的高损耗问题，找到透射式单元的设计准则，提出并实验验证透射幅度一致的相位可调表面和波束或焦点可调的平面透镜。

人工电磁表面是由尺寸远小于波长的单元在二维表面周期排列构成。透过单元的电路阻抗设计实现具有一定表面电阻抗和磁阻抗的人工电磁表面，从而对电磁波的透射和反射进行操控。它在反射式天线，能量耦合，平面透镜等技术领域有重要或潜在应用。本项目围绕人工电磁表面的一些基础问题开展了工作。.. 在反射式电磁表面方面，我们在可调反射相位表面中集成负阻器件，解决了长期存在的高能量损耗问题，在实现反射相位接近360度可调的同时还使得反射能量不衰减或者放大。我们还设计了双谐振单元，解决了传统反射相位调节技术中相位调节范围不足360度的问题，可以轻松地实现反射相位全面可调。我们还设计了吸波频率和带宽都可调的吸波表面，增加了吸波隐身器件适应复杂应用环境的能力。利用可调吸波表面吸波强度随外加电压变化的特点实现了对空间电磁波幅度调制的构想，达到了1Mbit/s的数据传输率。这一技术使得在信号的发射端无需载波产生装置即可实现信息回传。.. 在透射式表面方面，我们进行了电磁波透射幅度和相位独立可调技术的研究，理论分析了达到这一目标所需的表面阻抗条件，设计制作了透射系数任意调节的原型器件。我们还发现了无源人工电磁表面（不含有源器件）具有无反射的透射系数任意调控特性，该发现从理论和实验两个方面得到证实。无反射特性使得无源人工电磁表面能以级连的方式进行电磁波透射系数或相位的调控，避免了级间相互干扰和谐振的问题。.. 该项目解决了人工电磁表面在电磁波调控中的几个基础问题，为人工电磁表面实用器件的设计提供了可参考的解决方案。