基于Pancharatnam-Berry相位原理,设计了一种宽带圆极化反射聚焦超表面并将其应用到提高天线增益中.首先提出了一种变形十字超表面单元,在11—16 GHz频带范围内能够实现高效同极化转换,并基于该单元构建了宽带反射聚焦超表面.仿真结果表明,垂直入射的右旋圆极化平面波宽带聚焦效果明显.然后利用单向阿基米德螺旋天线对超表面进行照射,其辐射的球面波经超表面反射后得到了近平面波,有效地提高了天线的增益.最终对所设计的天线系统进行加工并测试,结果表明系统的-1 d B增益带宽达到25%(12.5—16 GHz),在该频带范围内峰值增益均高于19 d Bc且轴比小于3 d B.此外,在12—15.5 GHz范围内天线口径效率均超过50%.
根据广义Snell反射定律,相位梯度超表面可在其表面形成额外的平行波矢分量,从而对电磁波的反射进行调控。如果构成反射超表面单元的相位差按照抛物面分布,那么就可以实现对垂直入射电磁波的聚焦;相反,在超表面焦点处放置辐射球面波的馈源,球面波经超表面反射可以得到平面波,从而提高馈源增益。本文基于有相位梯度的单元,设计了由13×13个单元构成的二维反射相位梯度超表面,并在其焦点处放置贴片天线,构成反射面天线。仿真和测试结果都表明,贴片天线辐射的球面波经超表面反射后得到了平面波,天线的增益达到20 d B,比贴片天线提高了11.7 d B。
基于线-圆极化转换原理和聚焦超表面相关理论,设计了一种反射型宽带线-圆极化转换聚焦超表面,并结合线极化馈源设计了宽带的高增益圆极化天线.首先,提出了一种单层的变形十字超表面单元,单元具有极化独立特性,并且能够在10—14 GHz宽频带范围实现对反射波相位360?范围全调控,同时利用该单元构建的一维超单元很好地验证了奇异反射现象.然后,分别控制单元横向和纵向尺寸的分布构建出同时满足线-圆极化转换和聚焦条件的双功能超表面.最后,采用Vivaldi天线作为馈源对超表面进行照射组成天线系统,仿真及测试结果均表明天线系统同时实现了高增益和线-圆极化转换,系统的-1 d B带宽为24%,-3 d B轴比带宽为29.8%.本文的设计充分体现了超表面对电磁波相位和极化操控的灵活性,具有显著的应用前景.
