【基于级联超构表面的宽带电磁调控机制】开题报告文献综述

PAGE4课题背景及意义（含国内外研究现状综述）（一）背景及意义随着全球化影响的逐渐加深，各行各业的发展已与通信行业密不可分，通信技术的发展不仅推动着国家科学技术和经济的飞速发展，也已成为我国甚至是全球最为热门的研究课题。随着“互联网＋”、物联网、智慧城市与大数据等国家重大战略的提出和实施，第五代移动通信（5G）、第六代移动通信（6G）、点对点通信、太赫兹（THz）通信、智能通信等新一代无线通信技术的迅速发展，无线通信在蓬勃发展的同时，面临着越来越艰巨的挑战。带宽是通信领域的基础概念，也是决定通信系统性能的关键指标，而通信系统的工作带宽都受到不同程度的限制。因此，如何拓宽通信系统带宽，从而实现宽带通信，进而解决通信系统带宽受限的瓶颈问题，是各国专家一直致力于研究的科学问题。此外，现如今无线通信系统正朝着小型化、低剖面、超宽带、功能多样化等趋势发展，如何使无线通信系统更加稳定，抗干扰能力更强，通信速率更快，更合理高效的利用频谱资源，不断提升系统容量，满足更多用户的需求等问题亟待解决。电磁器件作为通信系统中重要的组成部分，可用于调控、传输和接收电磁波，而通信系统性能与其息息相关。因此，为应对通信领域中的挑战，研究电磁器件物理机理，设计所需的电磁器件至关重要。因此，如何基于电磁器件拓宽通信系统的带宽是通信领域亟待解决的关键技术问题。而如何实现电磁器件的低剖面、小型化、集成化、多功能化，拓宽电磁器件的工作带宽，基于电磁器件提高频谱利用率和系统容量是目前的研究热点、重点和难点，也是未来的发展方向。超表面的提出为这些难点的解决提供了一种新的思路和途径。超表面具有低剖面，重量轻，易于加工和集成等优点，同时对电磁波的幅度、相位和极化具有极强的控制力，有极大的潜力和应用前景。因此，研究基于超表面实现宽带可重构特性的电磁调控理论和方法，并进一步将宽带可重构超表面应用于通信领域实现不同的电磁器件，对于拓宽通信系统带宽、实现宽带通信以及解决下一代无线通信系统中带宽受限的瓶颈问题具有重要意义。（二）国内外研究综述回顾超表面的研究历史，首先得追溯到1898年J.C.Bose团队提出的手性结构[1]，该结构可以对电磁波的偏振进行调控，被认为是超材料的雏形。1902年，R.W.Wood首次观察到金属光栅的异常衍射现象[2]，被后人称之为伍德异常现象，但当时的理论无法解释这一奇异现象。随后，通过Rayleigh和Fano的研究表明，该现象是由表面等离子体激元（SurfacePlasmonPolaritions,SPPorSPPs）引起[3]。1996年，SPP频率被英国J.B.Pendry教授利用周期性金属线缩放到微波波段[4]，并在后面的研究中验证了微波波段确实存在SPP[5]。1999年，J.B.Pendry教授通过开口谐振环实现了负磁导率，由此掀起了亚波长结构的研究热潮[6]。2001年，超材料的概念问世，提出者为德州大学R.M.Walser教授[7]。超材料是人为地把周期的、非周期的亚波长结构排列起来形成的人工电磁材料，具有天然材料所不具备的超常物理特性和电磁功能，包括负折射率[8]、零折射率[9]、异常折反射[10]、完美吸收等[11]。正因这些奇异的物理特性和现象，超材料备受国内外学者的关注，并由此实现了一系列超常功能器件。D.Schurig等人率先提出微波电磁隐身材料[12]。由于超材料单元结构的三维特性，导致其主要应用于微波波段，而当拓展至太赫兹甚至光波段时，则举步维艰。为了发挥亚波长结构的异常电磁特性，逐渐往二维结构发展，并提出了超表面的概念。作为一种由亚波长结构构成的二维电磁调控器件，超表面不仅保留了超材料的超常电磁调控特性，还具备易加工、厚度薄、平面化等优势。2008年，罗先刚院士团队通过调节金属狭缝缝宽引入异常传输相位，从而实现异常偏折[13]。2011年，哈佛大学F.Capasso团队将其拓展至V型天线并实现任意波前调控，正式提出广义折反射定律。此后，国际上掀起了超表面的研究热潮[14]。课题研究主要内容及研究基础本论文针对如何基于电磁调控理论实现超表面的宽带可重构特性，并将宽带可重构超表面应用于通信系统展开。基于上节内容可知，目前基于构成超表面的单元中是否嵌有可调或可重构器件或材料，超表面可大致可分为不可重构超表面和可重构超表面。对于不可重构超表面，目前主要可通过谐振理论，PB相位理论和消色差理论，分别利用超表面单元相位响应，PB相位或同时结合单元相位响应和PB相位获取所需的突变相位来拓宽超表面工作带宽。对于可重构超表面还可通过研究可重构器材的属性和机理，改变其电磁性能来调节超表面的工作频率，从而实现超表面的频率可重构特性，扩宽工作频带。基于此，本论文首先对宽带可重构超表面基础理论进行研究，然后对基于级联超构表面的宽带电磁调控机制与应用进行研究。研究（或调研）方案和思路（技术路线）对基于级联超构表面的宽带电磁调控机制与应用进行研究。本论文首先对消色差理论进行研究，针对传统的消色差超表面透镜设计方法较为复杂不够灵活，一旦所需超表面透镜的焦距或单元个数发生变化时，必须重新设计超表面透镜的单元结构尺寸的缺点。本论文利用曲线拟合法提出了一种改进的消色差超表面透镜设计方法，基于该方法设计的超表面可在连续频率范围内将入射波聚焦在同一焦点处，具有宽带消色差特性，同时该方法利用了曲线拟合理论，当所设计的超表面透镜的焦距或单元个数发生变化时，只需利用拟合曲线即可得到所需的单元结构尺寸，简化了设计流程和复杂度。论文框架结构第一章绪论1.1研究背景及意义1.2国内外研宄现状1.3论文研究内容第二章宽带可重构超表面基础理论2.1基于费马原理分析广义斯涅耳定律2.1.1费马原理2.1.2广义折射定律2.1.3广义反射定律2.2基于边界条件分析广义斯涅耳定律第三章基于级联超构表面的宽带电磁调控机制与应用3.1超表面电磁波聚焦理论3.1.1宽带消色差超表面透镜理论3.1.2基于拟合曲线的宽带消色差超表面透镜设计方法3.2宽带消色差超表面透镜用于电磁波近场聚焦3.2.1超表面透镜的补偿相位分布3.2.2超表面透镜单元的旋转角和结构尺寸3.2.3超表面透镜的整体结构和仿真结果第四章总结参考文献[1]BoseJC.Ontherotationofplaneofpolarisationofelectricwavebyatwistedstructure[J].ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon,1898,63(389-400):146-152.[2]WoodRW.Onaremarkablecaseofunevendistributionoflightinadiffractiongratingspectrum[J].ProceedingsofthePhysicalSocietyofLondon,1902,18(1):269-275.[3]FanoU.Effectsofconfigurationinteractiononintensitiesandphaseshifts[J].PhysicalReview,1961,124(6):1866-1878.[4]PendryJB,HoldenAJ,StewartWJ,YoungsI.Extremelylowfrequencyplasmonsinmetallicmesostructures[J].PhysicalReviewLetters,1996,76(25):4773-4776.[5]PendryJB,Martín-MorenoL,Garcia-VidalFJ.Mimickingsurfaceplasmonswithstructuredsurfaces[J].Science,2004,305(5685):847-848.[6]PendryJB,HoldenAJ,RobbinsDJ,StewartWJ.Magnetismfromconductorsandenhancednonlinearphenomena[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,1999,47(11):2075-2084.[7]WalserRM.Electromagneticmetamaterials;proceedingsofthecomplexmediumsII:beyondlinearisotropicdielectrics,F,2001[C].InternationalSocietyforOpticsandPhotonics.[8]RitchieRH,ArakawaET,CowanJJ,HammRN.Surface-plasmonresonanceeffectingratingdiffraction[J].PhysicalReviewLetters,1968,21(22):1530-1533.[9]HuangX,LaiY,HangZH,ZhengH,ChanCT.Diracconesinducedbyaccidentaldegeneracyinphotoniccrystalsandzero-refractive-indexmaterials[J].NatureMaterials,2011,10(8):582-586.[10]KildishevAV,BoltassevaA,ShalaevVM.Planarphotonicswithmetasurfaces[J].Science,2013,339(6125):1232009.[11]YanC,PuM,LuoJ,HuangY,LiX,MaX,LuoX.Coherentperfectabsorptionofelectromagneticwaveinsubwavelengthstructures[J].Optics&LaserTechnology,2018,101:499-506.[12]SchurigD,MockJJ,JusticeBJ,CummerSA,PendryJB,StarrAF,SmithDR.Metamaterialelectromagneticcloakatmicrowavefrequencies[J].Science,2006,314(5801):977-980.[13]XuT,WangC,DuC,LuoX.Plasmonicbeamdeflector[J].OpticsExpress,2008,16(7):4753-4759.[14]ShenY,WangX,XieZ,MinC,FuX,LiuQ,GongM,YuanX.Opticalvor