摘要
随着信息社会的高速发展，人们对无线通信的速率需求日益增长，5G通信技术推广以来，可重构天线研究引起了相关领域内学者们的广泛关注。本文基于极化转换超表面的相位突变以及极化转换特性，加载合适的可调谐器件构成透射型可重构极化转换超表面，同时结合灵活的相位编码算法，达到超表面功能可重构目的，这在通信及军事领域具备极大的应用前景。 首先，完成了对透射型极化转换超表面工作机理和相位调控理论的研究。先从电磁波的极化形式出发，依次介绍了线极化、圆极化以及椭圆极化的电磁基础概念。并针对超表面工作机理，阐述了从典型斯涅尔定理结合费马定理到广义斯涅尔定律的推导过程。随后，从Fabry-Perot谐振腔理论的角度重点介绍了含金属栅结构超表面的极化转换物理过程，并基于传输矩阵和矩阵旋转公式推导出极化转换超表面的相位调控理论。此外，为了计算相位编码超表面的理论近远场效果，介绍了超表面衍射理论，为后续的研究工作做好理论铺垫。 其次，完成了1-bit可重构透射型超表面单元的设计和优化。依据透射型线极化转换超表面的相位调控理论基础，利用PIN二极管等效电路随偏置电压的可调性设计相位可调的1-bit超表面单元，同时对超表面单元关于PIN二极管等效电路参数的鲁棒性进行了详细的仿真分析。随后，进一步考虑了二极管馈电通孔以及馈电线路对超表面单元交叉透射系数和透射相位的影响，并对其分别做出了针对性的结构优化。 最后，完成了可重构超表面天线系统的建立和功能验证。先将所设计的1-bit可重构极化转换超表面单元按周期排布组成超表面阵列，选择合适的馈源与其共同构成可重构超表面天线系统。同时通过合理安排PIN二极管与多输出电压控制电路之间的馈线方式，在超表面阵列边缘处设计与控制电路之间的连接端口，达到利用控制电路实时独立控制每个超表面单元工作状态的目的。此外，为了验证该可重构超表面天线系统的功能可靠性，设计了多波束产生、涡旋波产生、螺旋锥波束产生这三组实验，将依据衍射理论计算的理论电场和HFSS仿真电场进行对比，得到了较好的一致性。
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