基於演化算法的透射型超表面場型合成與設計於衛 星之應用;Pattern Synthesis and Design of Evolutionary AlgorithmBased Transmissive Metasurfaces for Satellite Applications

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題名:	基於演化算法的透射型超表面場型合成與設計於衛星之應用;Pattern Synthesis and Design of Evolutionary AlgorithmBased Transmissive Metasurfaces for Satellite Applications
作者:	黃孟可;Huang, Meng-Ke
貢獻者:	電機工程學系
關鍵詞:	衛星天線系統;超表面;演化算法超表面;基因演算法;場型合成
日期:	2025-05-22
上傳時間:	2025-10-17 12:37:31 (UTC+8)
出版者:	國立中央大學
摘要:	本文主要探討演化算法超表面應用於衛星天線系統中的設計與優化，特別針對不同的場型合成方法進行了深入分析與比較。本研究分為三個主要部分：第一部分為超表面單元元件的設計，第二部分探討不同場型合成方法的應用，第三部分則使用基因演算法優化演化算法超表面的輻射場型，以提升性能表現。本研究所設計的演化算法超表面由不鏽鋼製成，其耐高溫、耐高壓的特性使其特別適用於衛星天線領域。針對該應用中常見的球面波阻塞效應，本文提出了一種全金屬結構設計，並通過調整結構的尺寸、形狀及金屬層數來實現理論上的相位補償特性。透過這些設計，可進一步模擬透射式超表面並評估其電磁性能。傳統上，超表面透過相位補償公式計算單元元件所需的補償相位，以實現波束方向的控制，但其波束合成效果受到超表面尺寸的限制。對比模擬結果發現，當超表面2的主波束預期朝 30 度方向輻射時，旁瓣抑制效果不顯著，且主波束的輻射方向與理論值存在顯著偏差。此外，當編碼超表面1設計對稱雙波束朝\pm30 度方向輻射時，模擬結果亦未能達到理論預期的雙波束效果。基於上述挑戰，本文採用最佳化方法，結合基因演算法來優化演化算法超表面的設計。透過最佳化過程，本文設計並模擬了五種演化算法超表面，成功實現了高增益、波束掃描、對稱雙波束與非對稱雙波束的場型合成。這些結果證實了最佳化方法在演化算法超表面設計中的有效性，並為未來在衛星天線系統中的應用提供了新的設計思路與技術參考。 ;This thesis investigates the design and optimization of Evolutionary Algorithm-Based Metasurfaces (EAMS) for satellite antenna systems, with a focus on comparing alternative pattern-synthesis strategies. The study comprises three main sections. First, it presents the design of individual metasurface unit cells. Second, it analyzes different beam-forming techniques and their practical limitations. Third, it employs a genetic algorithm to optimize the radiation patterns of the proposed EAMS, enhancing overall performance. The metasurfaces are fabricated from stainless steel, whose high-temperature and high-pressure tolerance makes them well suited to the space environment. To mitigate the spherical-wave blockage commonly encountered in satellite feeds, a fully metallic architecture is developed. By adjusting the unit-cell dimensions, shapes, and layer count, the structure achieves the phase-compensation range predicted by theory. These designs are evaluated through full-wave simulations of transmissive metasurfaces to verify their electromagnetic characteristics. Conventional phase-compensation formulas enable basic beam steering but suffer from aperture-size constraints. Simulations show that when Metasurface 2 is aimed at a 30° main beam, sidelobe suppression is inadequate and the actual beam deviates markedly from the target direction. Likewise, a symmetric dual-beam design intended to radiate at ±30° fails to meet theoretical expectations. To overcome these challenges, a genetic algorithm is integrated into the design workflow. Five EAMS prototypes are synthesized, demonstrating high gain, wide-angle beam scanning, symmetric dual beams, and asymmetric dual beams. The results confirm that evolutionary optimization significantly improves metasurface performance and offer practical guidance for future satellite antenna applications.
顯示於類別:	[電機工程研究所] 博碩士論文

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