基于频率选择表面的轨道角动量激发器件研究.pdf

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1、硕士学位论文基于频率选择表面的轨道角动量激发器件研究RESEARCHONORBITALANGULARMOMENTUMEXCITATIONDEVICESBASEDONFREQUENCYSELECTIVESURFACE王禹翔哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O441.6学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文基于频率选择表面的轨道角动量激发器件研究硕士研究生：王禹翔导师：张狂副教授申请学位：工学硕士学科：电磁场与微波技术所在单位：电子与信息工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Class

2、ifiedIndex:O441.6U.D.C:621.3DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringRESEARCHONORBITALANGULARMOMENTUMEXCITATIONDEVICESBASEDONFREQUENCYSELECTIVESURFACECandidate：WangYuxiangSupervisor：AssociateProf.ZhangKuangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Electromagn

3、eticFieldandMicrowaveTechnologyAffiliation：SchoolofElectronicsandInformationEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要轨道角动量（OAM）近年来成为了微波波段及射频段的研究热点之一。携带轨道角动量时，电磁波具有螺旋的相位波前，通常可以将这种波束称作涡旋波束。与电磁波的自旋角动量（SAM）相比，SAM仅

4、与电磁波的极化相关，所以仅具有三种状态数。而OAM模式是电磁场强度与相位空间分布的结果，根据螺旋相位的梯度不同可以具有无穷多个模式数（拓扑电荷数）。由于不同模式之间的正交性，使得各路传递的信息之间互不影响。理论上，利用这种方式可以在同一工作频率下构造无穷多的涡旋波束，从而极大程度上提升了信道的容量。OAM模式的高效激发是其在微波波段应用的基础。传统的OAM激发器件工作存在无法克服的厚度极限，而在较低频率下，由于波长较长的关系将导致元件尺寸过于巨大，不利于大规模使用。针对这一问题，本文基于频率选择表面（FSS）展开了X波段轨道角动量模式激发器件的研

5、究。首先，本文针对微波段上携带特定轨道角动量模式数的涡旋波束透镜的设计手段进行了分析，并提出利用FSS单元设计涡旋透镜的方法。从工作机理和基本分析方法着手，以无限长的条型带栅为例对FSS的滤波特性进行了深入剖析。同时，从栅瓣角度和入射角的稳定性分析了小型化的必要性。其次，详细的分析了耦合型MEFSS的等效电路设计方法。通过二阶单元分析其性能影响因素。与传统的FSS相比，本文所提出的单元结构具有亚波长尺寸，并且单元本身已经实现小型化，对于入射角有很好的稳定性。设计了四阶带通响应的MEFSS单元，通带包含X波段且在此范围内的透射系数高于0.9，并以此

6、进行涡旋透镜的设计。将透镜阵列划分成8个区域，通过金属参数的调整使相邻区域的单元在10.6GHz处具有45°等相位梯度的传输相移，实现了模式数l=1的线极化涡旋波束激发透镜。最后，通过MEFSS单元结构引入P-B相位，对出射波中交叉极化分量的相位进行控制。根据不同类型的单元分别实现了拓扑电荷数为1和2的两个轨道角动量模式激发。进一步，根据广义斯涅尔定律，对基于l=2的透镜阵列实现了30°的涡旋波束偏转。关键词：轨道角动量；频率选择表面；等效电路；透镜-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTheorbitalangularmoment

7、um(OAM)hasbecomeoneoftheresearchhotspotsinthemicrowaveandradiofrequencybandsduringrecentyears.Whencarryingtheorbitalangularmomentum,theelectromagneticwavehasaspiralphasewavefront,whichcanusuallybereferredtoasavortexbeam.Comparedtothespinangularmomentum(SAM)ofelectromagneticwa

8、ves,SAMonlyrelatestothepolarizationofelectromagneticwaves,andtherefo