一種雙功能反射超表面的設計方法及應用
【專利摘要】本發明公開了一種雙功能反射超表面的設計方法及應用，該方法包括以下步驟：根據功能需求計算所需滿足的相位需求；設計所需的單元結構，在不同方向獨立實現360°范圍相位覆蓋；根據相位需求選取特定的單元結構；采用電磁仿真軟件對超表面特性進行分析優化，得到最終雙功能超表面。本發明提出了雙功能超表面的4步設計方法，并研制了雙功能超表面，同時實現了聚焦和奇異偏折特性；對雙功能超表面進行饋電，研制了雙功能天線，實現了反射陣和波束指向調控的雙重功能；雙功能天線具有工作頻帶寬、旁瓣電平低、口徑效率高、輻射方向圖多樣等優點。
【專利說明】
-種雙功能反射超表面的設計方法及應用
技術領域
[0001] 本發明屬于通訊技術領域，設及一種雙功能反射超表面的設計方法及應用。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著通訊技術的快速發展，多功能天線系統在集成電路，波前工程和雷達 系統等領域的作用越來越凸顯。平面反射陣天線，同時具有反射面天線和陣列天線的優良 性能，在現代工程技術領域具有重要應用價值。目前，平面反射陣天線已被廣泛用于太赫茲 頻段和微波波段，同時，由于其高效的波束控制特性，也已用于研制不同功能的反射陣天 線，如雙頻高增益天線、雙極化反射陣天線、雙圓極化反射陣、雙線極化可調反射陣天線、X 波段超寬帶天線]W及波束掃描天線。然而，同時實現不同福射特性的雙功能天線至今仍未 見報道。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于克服上述技術存在的缺陷，提供一種雙功能反射超表面的設計 方法及應用。
[0004] 其具體技術方案為：
[0005] -種雙功能反射超表面的設計方法，包括W下步驟：
[0006] 步驟1、根據功能需求計算所需滿足的相位需求，選取中屯、工作頻率fo= 13GHz，X 方向實現聚焦效應，焦距為70mm，則其相位滿足拋物線分巧
， y方向實現奇異偏折效應，相位梯度分布滿足Cy(y) = 0.化0，超表面由24 X 24個單元構成；
[0007] 步驟2、設計所需的單元結構，在不同方向獨立實現360°范圍相位覆蓋；
[000引步驟3、根據相位需求選取特定的單元結構，分別排列在相應位置，超表面總尺寸 為139.2mmX 139.2mm，相當于6.03A0X6.03A0,Ao為fo時的自由空間波長，y方向由3個超單 元組成，單元間滿足-45°相位梯度；
[0009] 步驟4、采用電磁仿真軟件對超表面特性進行分析優化，得到最終雙功能超表面。
[0010] 本發明所述雙功能反射超表面的設計方法在雙功能天線制備過程中的應用。
[0011] 與現有技術相比，本發明的有益效果：
[0012] 本發明提供一種雙功能反射超表面的設計方法及應用，提出了雙功能超表面的4 步設計方法，并研制了雙功能超表面，同時實現了聚焦和奇異偏折特性;對雙功能超表面進 行饋電，研制了雙功能天線，實現了反射陣和波束指向調控的雙重功能;雙功能天線具有工 作頻帶寬、旁瓣電平低、口徑效率高、福射方向圖多樣等優點。
【附圖說明】
[0013] 圖1是不同超表面在不同極化電磁波激勵下的奇異電磁響應，GMSl對于(a)水平和 (b)垂直極化波的鏡像反射效應，GMS1的相位分布滿足化托.v')=Ci，q),知y)=。;GMS2對于 (a)水平極化波的聚焦效應和（b)垂直極化波的奇異偏折效應，GMS2的相位分布滿足
[0014] 圖2是螺旋諧振器單元結構示意圖和仿真設置，（a)螺旋諧振器單元俯視圖；（b)不 同極化激勵時單元仿真設置；
[0015] 圖3是單元反射系數、反射相位和諧振處電流分布；
[0016] 圖4是不同極化激勵下單元相位響應曲線，bl參數變化時(a)垂直極化波和(b)水 平極化波激勵時的二維相位響應頻譜。(a)垂直極化波和(b)水平極化波激勵時單元的相位 響應曲線；
[0017] 圖5是相位分布和設計的GMS示意圖，（a)x方向的相位分布，（b)y方向的相位分布 和(C)設計的超表面結構示意圖；
[0018] 圖6是不同頻率處yOZ平面上的電場分布，（a) IOGHz，（b) 1 IGHz，（C) 12GHz，（d) 13細z，（e)14GHz和（f)15GHz;
[0019]圖7是數值模擬的奇異偏折效應，（a)f〇=13GHz處yoz平面內Ey場分布；（b)垂直極 化波激勵下，散射場強度隨頻率和探測角度的變化關系；
[0020]圖8是不同極化條件下的測試示意圖W及加工樣品，（a)水平和垂直極化激勵時的 測試示意圖；（b)Vivaldi天線加工樣品；（C)設計超表面的加工實物圖；
[0021 ]圖9是反射陣天線仿真示意圖和遠場福射方向圖，（a)天線仿真結構示意圖；（b) 12細Z，（ d) 13GHz和（f) 14GHz時S維遠場福射方向圖；（C) 12細Z，（ e) 13GHz和（g) 14GHz處仿 真和測試的二維遠場福射方向圖；
[0022] 圖10是仿真和測試的Vivaldi天線和反射陣天線的增益；
[0023] 圖11是仿真和測試的不同頻率處的二維福射方向圖。（a) IlGHz，（b)13G化和（C) 15GHz.O
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖和具體實施方案對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。
[0025] 雙功能超表面實現的一般機理
[0026] 根據幾何光學的基本原理，電磁波在兩種材料的交界面處會發生反射和折射響 應，其入射波矢可W表示為
[0027]
(1)
[002引其中，kxi表示X方向的入射波矢，ko表示傳播常數。當材料為非均一性媒質，且沿不 同方向存在相位梯度時，對于反射超表面來說，其反射波矢可W表示為
[0029]
[0030] 運里，巧.1,,表示在i極化電磁波激勵下X方向的反射波矢，Cx(i)表示i極化電磁波激 勵下X方向的相位梯度。在超表面設計中，其相位梯度可分別由下式計算
[0031]
口、
[0032] q)知巧表示超表面在(X，y)處的反射相位，對于不同偏振激發下的反射相位可W 表示為化知：F)郝取知，.如
[0033] 對于不同GMSs,其電磁響應有不同形式，如圖1所示，對于傳統梯度超表面，其在X 和y方向均為均一性媒質，其相位分布滿巧
，采用不同極化電磁波激 勵時，均會發生鏡像反射效應，如圖1(a)和(b)所示;對于GMS2,其在X和y方向分別滿足不同 的相位分布，
采用X極化電磁波激發時，拋物線型 的相位分布會使電磁波發生匯聚效應，如圖1 (C)所示，采用y極化波激勵時，線性相位梯度 會產生奇異偏折效應，如圖1(d)。實際上，對于各向異性梯度超表面來講，不同的相位分布 可W實現不同功能，運里W反射聚焦和偏折效應來驗證雙功能超表面實現的可行性和集成 優勢。
[0034] 寬帶各向異性單元設計機理
[0035] 對于反射GMS，由于其反射幅度幾乎為1，因此在設計時只需關注其相位信息，多模 諧振可W增大反射相位的覆蓋范圍，有利于實現波前的任意調控。圖2給出了反射型螺旋線 單元的結構示意圖，其由正交分布的兩個螺旋諧振器、介質基板W及金屬地板構成，介質板 義用厚度h = 3mm,介電常數為e：r = 4.3和虹耗角正切為化nS = 0.004的FR4基板,其中，Px = Py =5.8mm，C = g = t = 0.2mm，螺旋諧振器與地板之間強烈的近場禪合效應引起了磁諧振響 應，同時諧振頻率隨單元尺寸變化而改變，正交的諧振結構設計保證了單元在不同極化電 磁波激勵下具有獨立可控的電磁響應，因此設計中可單獨調控bi和b2參數來實現反射相位 的調節。運里，應該指出的是立枝節的結構設計保證了單元的雙諧振特性，當bi = b2 = 3.6mm 時，采用y極化電磁波激勵時，其反射幅度和相位響應分別如圖3所示，其反射幅度在8- 18GHz范圍內均優于2.3地，同時在8.75和13.5GHz出現了兩個諧振頻點，其反射相位均為0。 圖3同時給出了不同諧振頻點的電流分布，在低頻諧振點8.75G化處，整個螺旋諧振器與地 板間構成了磁諧振，兩者間形成了強烈磁場;而在高頻諧振點13.5GHz，內部兩個螺旋枝節 參與諧振，環形電流主要集中在兩者之間。
[0036] 為了驗證單元的極化獨立特性，并得到反射相位的掃描頻譜，在不同極化電磁波 激發情況下，改變結構參數bi獲得的反射相位分布如圖4所示。當bi由ImmWo. 02mm(PCB加工 精度）的步長增加到5mm時，在9到16GHz范圍內，垂直極化電磁波激勵下，其相位響應如圖4 (a)所示，對于任意頻率，諧振器單元均實現了360°相位覆蓋范圍，圖中藍色圈標注了單元 的磁諧振頻率位置，隨著結構參數bi變化，兩個諧振頻點分別發生了頻移。當采用水平極化 波對單元進行激發時，反射相位如圖4 (b)所示，可W看出，在同一頻率，單元反射相位幾乎 不變，運就保證了單元的極化獨立特性，在設計中可分別對不同方向單元進行相位控制。為 了評估單元的工作帶寬，垂直極化激勵下不同頻率下單元的相位響應如圖4(c)所示，13GHz 時，單元反射相位覆蓋范圍達到了405°，在10到15G化范圍內，單元相位響應曲線幾乎平行， 保證了相位響應的一致性和單元的寬頻特性。采用水平極化波激發時，單元在不同頻率下 的相位響應如圖4(d)所示，對于一定工作頻率，其相位響應變化范圍小于10°。
[0037] 實施例1雙功能反射超表面的研制
[0038] 基于前面的分析，可W分別獨立控制X和y方向的相位分布來實現不同的功能需 求。為了不失一般性，運里給出雙功能超表面設計的一般方法。第一，根據功能需求計算所 需滿足的相位需求。選取中屯、工作頻率fo=13G化，X方向實現聚焦效應，焦距為70mm，則其 相位滿足拋物線分布
y方向實現奇異偏折效應，相位梯度 分布滿足Cy(y)=〇.化0,超表面由24X24個單元構成，每個單元相位分布分別如圖5(a)和 (b)所示。第二，設計所需的單元結構，在不同方向獨立實現360°范圍相位覆蓋，如圖4所示。 第=，根據相位需求選取特定的單元結構，分別排列在相應位置。設計版圖如圖5(c)所示， 超表面總尺寸為139.2mmX 139.2mm，相當于6.03A〇 X6.03A〇,Ao為時時的自由空間波長。y方 向由3個超單元組成，單元間滿足-45°相位梯度，響應超單元如圖5(c)所示。第四，采用電磁 仿真軟件對超表面特性進行分析優化，得到最終雙功能超表面。
[0039] A.聚焦特性驗證
[0040] 采用CST電磁仿真軟件對超表面進行電磁仿真，將設計的GMS置于xoy平面，采用X 極化沿-Z傳輸的電磁波進行有效激發，yoz平面內的Ex分布如圖6所示。可W看出，從10至 15G化之間，超表面具有良好的聚焦效應。在中屯、頻率fo = 13GHz，透鏡焦點出現在Z = 70mm 處，運里透鏡焦距由Z軸上能量強度的最大值來判定。仿真焦距與設計焦距完全一致，證明 了設計單元強大的相位補償能力和超表面設計的準確性。當頻率由IOG化增加到15G化時， 焦距由50mm增加到85mm。隨著頻率偏離中屯、頻率，計算相位分布出現偏差，同時單元相位補 償能力變弱，導致透鏡聚焦能力變差，該現象在10和15G化處尤其明顯。與一維聚焦完全不 同，該透鏡能實現良好的二維聚焦，XOZ平面處的Ex也具有聚焦效應。
[0041 ] B.奇異偏折特性驗證
[0042] 采用y極化沿-Z傳輸的電磁波對超表面進行激發，fo=13G化處yoz平面內Ey分布 如圖7(a)所示，需要說明的是為了減小入射波對奇異偏折效應的影響，運里采用響應場減 去入射場信息，看W看出電磁波發生了29.7°的波束偏折，運與理論計算值0, = 3111-1(3王11 (i)+C/k〇) = 29.8°幾乎完全一致，進一步驗證了超表面對波束調控的準確性。為了表征奇 異偏折的帶寬特性，圖7(b)繪制了散射場強隨頻率和角度的分布關系，其中藍色五星標記 為理論偏折角度。可W看出，理論偏折角度與模擬結果吻合良好，超表面在10到15G化具有 良好的偏折效應，在fo處，幾乎所有能量全部位于奇異偏折角度處，而隨頻率偏移中屯、頻 率，零階散射分量開始出現，運在9和16G化處尤其明顯，運主要是由單元的工作頻帶決定 的。
[0043] 實施例2雙功能天線制備
[0044] 雙功能超表面實現了聚焦效應和奇異偏折效應的自由切換，將點源置于透鏡焦點 處，可W實現球面波到平面波的轉化，進而設計高增益反射陣天線，同時，采用卿趴發射的 平面波對超表面進行饋電，可W實現波束掃描天線。天線設計示意圖如圖8(a)所示，加工的 超表面樣品如圖8(c)所示，周圍的介質過孔用于對天線進行固定。
[0045] A.反射陣天線驗證
[0046] Vivaldi天線可W福射寬頻球面波，圖8(b)給出了Vivaldi天線的加工實物圖，其 被用于反射陣天線的饋源。優化Vivaldi天線與超表面間的距離l = 72mm，使反射陣天線達 到最佳性能。圖9(b)、（d)和(f)分別給出了 12、13和HGHz處S維遠場分布圖，可W看出，反 射陣天線實現了窄波束高增益福射，在中屯、頻率處增益達到了 24.4地。模擬(測試）的二維 遠場分布圖如圖9 (C)、（ e)和(g)所示，半功率波束寬度在12GHz為9.5° (9.6°)，13GHz為9.2° (9.2°)，14GHz為9.8° (10.2°)，仿真和測試之間的微小差別一方面由加工誤差引起，一方面 由測試中的泡沫和介質螺釘引起。波束前后比在模擬中均優于25地，實驗測試中優于20地， 模擬（測試）的旁瓣電平在12,13和14細Z處分別為16.8(15.2) ,25.8(16.3)和25.5(15.8) 地。同時，交叉極化電平均優于25.5地，表明了天線系統良好的工作性能。
[0047]為了定量分析超表面反射陣天線性能，對空Vivaldi天線和透鏡天線系統的增益 分別進行測試，結果如圖10所示，可W看出，在10到15GHz范圍內，反射陣天線系統增益顯著 增加了至少11.8dB，在13.5G化最大增加了 13.5dB。仿真和測試的1-dB增益帶寬分別為 16.42%(12.3-14.56化）和12.03%(12.5-14.16化），由公式11 = 6/0。3義=6/(101邑（4沖9/ 入O2)) X 100%，在fo處計算出的仿真和測試口徑效率分別為60.26%和52.48%。
[004引B.波束掃描天線驗證
[0049] 采用垂直極化的卿趴天線對超表面進行饋電，運里卿趴與超表面間距離為1.2m， 用于保證波束良好的平面波特性，測試天線的遠場分布如圖11所示，可W看出，仿真和測試 結果吻合良好，驗證了天線工作的可行性。在11，13和15G化處，仿真(測試)的偏折角度分別 為35.6° (35°) ,29.7° (30° )，和25.6° (25° )，說明了天線工作的寬帶特性。在中屯、頻率處，天 線旁瓣電平相對較低。波束掃描天線良好的性能使其在無線通訊系統中具有重要的應用前 景。
[0050] W上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，本發明的保護范圍不限于此，任何熟 悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡 單變化或等效替換均落入本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種雙功能反射超表面的設計方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1、根據功能需求計算所需滿足的相位需求，選取中屯、工作頻率f〇=13G化，X方向實 現聚焦效應，焦距為70mm，則其相位滿足拋物線分巧，巧 向實現奇異偏折效應，相位梯度分布滿足Cy(y) = 0.化0，超表面由24 X 24個單元構成； 步驟2、設計所需的單元結構，在不同方向獨立實現360°范圍相位覆蓋； 步驟3、根據相位需求選取特定的單元結構，分別排列在相應位置，超表面總尺寸為 139.2mm X 139.2mm，相當于6.03λ〇 X 6.03λ〇，λ〇為f〇時的自由空間波長，y方向由3個超單元 組成，單元間滿足-45°相位梯度； 步驟4、采用電磁仿真軟件對超表面特性進行分析優化，得到最終雙功能超表面。2. 權利要求1所述雙功能反射超表面的設計方法在雙功能天線制備過程中的應用。
【文檔編號】H01Q15/14GK106099384SQ201610634757
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月4日 公開號201610634757.5, CN 106099384 A, CN 106099384A, CN 201610634757, CN-A-106099384, CN106099384 A, CN106099384A, CN201610634757, CN201610634757.5
【發明人】蔡通, 王光明, 梁建剛, 李唐景, 許河秀, 莊亞強
【申請人】中國人民解放軍空軍工程大學