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人工电磁材料是自然界中没有的、人工制造的、具有特殊物理性质的复合材料。人工电磁材料的二维形式即人工平面电磁结构,也被称为超表面。本文研究了基于时域有限差分(FDTD)算法的人工平面电磁结构的建模方法,通过FDTD算法分别对人工平面电磁材料的周期均匀结构、非周期非均匀阵列结构进行建模仿真分析。观察、研究了频率选择表面(FSS)对携带轨道角动量(OAM)的电磁波的滤波作用,验证了 FDTD算法的有效性。轨道角动量是电磁波的一个新的自由度,它对通信系统进行信道复用、提高信道带宽具有重要的价值。因此,基于OAM波的通信系统成为了一个研究热点,而找到可以有效产生OAM波的天线尤为重要。本文结合最新的人工平面电磁结构研究成果,设计了一种在射频波段可以产生不同OAM模式的反射阵天线。与已提出的众多产生携带轨道角动量的电磁波的天线相比,该天线可以在不改变单元结构的情况下实现OAM模式可调,它由FDTD算法仿真,FDTD算法的有效性由和商业全波仿真软件中的结果作对比来进行验证。仿真结果显示:通过合理设置每个单元结构中位于两片理想金属薄片间变容二极管的电容值,反射阵天线可以在3.5 GHz下成功产生携带OAM模式0±1,±2的电磁波。本文对组成反射阵天线单元结构做了进一步设计改造,改进了上述提出的反射阵天线,使天线可以同时在两个相互垂直的极化方向上工作,并且实现了 OAM模式在不同极化方向上的独立可调。与其它反射阵天线单元结构做比较,提出的单元结构在两个不同的极化方向均可以实现平稳的相位变化,并且两个不同的极化方向间的耦合很小。文中使用了全波仿真软件对设计的天线进行了仿真分析,在设计过程中提出了适用于单元结构的等效电路模型,不仅加快了设计进程,也对单元结构的相位响应做出了解释。最后,通过全波仿真软件得到的数据,对天线的反射效率和携带不同OA]M模式电磁波的纯度进行了分析,验证了提出的反射阵天线的有效性。