CN109216932A - 一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，该超表面的基本单元结构包括直角金属结构(1)、十字型金属结构(2)、介质层(3)以及金属背板(4)；其中，介质层(3)的平面为方形，在其上表面的中央设有十字型金属结构(2)，在其上表面的四角分别设有一个直角结构(1)，在其下平面设有金属背板(4)。该超表面包括一个以上的子单元阵列，所述子单元阵列由M×N基本单元结构组成，M和N为非零正整数；所述子单元阵列按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上，在不同频率和极化的入射波照射下具有不同的电磁响应。本发明结构简单、易于加工，同一块超表面可以独立地实现多种功能。

Description

一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面
技术领域
本发明涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面。
背景技术
电磁超材料(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/非周期性地排列，或者植入到基体材料内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是它们对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振系统与外加电磁场的相互作用来体现的。近20年来，电磁超材料被广泛地研究应用于调控电磁波，产生了许多令人惊奇的现象及器件。最初基于等效媒质的超材料，通过精心设计超材料结构来获得特定的等效介电常数和磁导率来调控电磁波，可以获得很多自然界中无法实现的现象，例如负折射、完美透镜、隐身大衣等。但是传统的超材料都是三维结构，体积和重量较大，不易于集成。为了减少三维超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面(Metasurfaces)也广泛地用于调控电磁波。超表面本质上是二维的电磁超材料，其厚度可以忽略不计，重量和体积都很大程度上缩减，造价低、损耗小，便于系统集成设计。由于超表面在纵向方向上的尺寸远远小于波长，传统的等效媒质参数无法用来分析超表面，因此横向谐振法和广义边界过渡条件等方法被相继提出。
然而，基于等效媒质参数的传统超材料和超表面不能实现对电磁场与波的实时和智能调控，也难以和信息理论及信号处理方法相结合。东南大学崔铁军教授课题组在2014年提出了“数字编码和可编程超材料/超表面”的概念，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时调控。例如，1比特编码超表面是两个数字单元“0”和“1”(分别对应0和180度的反射相位)按照一定的编码序列构成；而2比特编码超表面是由四个数字单元“00”、“01”、“10”和“11”(分别对应0、90、180和270度的反射相位)组成，更高比特位依次类推。编码超表面构成单元的离散化和数字编码化表征方式，简化了设计和优化流程，可以通过设计相应的编码序列来实现对电磁波的调控，如波束分离、波束偏折和漫反射等。这种数字编码超表面具有易于设计、易于加工、宽频带等优点，在高性能天线、减小雷达散射截面(RCS)等方面都有重要的应用前景。(参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,"Codingmetamaterials,digital metamaterials and programmable metamaterials,"Light-Science&Applications,vol.3,p.e218,Oct 2014.)
随着现代集成系统的快速发展，多功能器件和设备在很多应用场合都有需求。因此，各向异性的编码超表面被提出，针对不同极化的入射波表现出不同的电磁响应；接着双频段独立工作的编码超表面也被提出，对于不同频率的入射波呈现不同的远场辐射模式。然而，之前的各向异性和双频段的编码超表面都只是双功能的设计，各向异性的编码超表面只能工作在单一频段，而双频段的编码超表面也只能工作于特性线极化的入射波。
发明内容
技术问题：为了将有限的频谱资源充分利用，拓宽工作频段并实现多功能的应用，本发明提供一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面。按照预先设计的数字编码矩阵调整超表面中每个基本单元的结构参数，使其分别在高频和低频下x和y极化波的照射下独立地呈现四种不同的远场辐射模式。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，该超表面的基本单元结构包括直角金属结构(1)、十字型金属结构(2)、介质层(3)以及金属背板(4)；其中，介质层(3)的平面为方形，在其上表面的中央设有十字型金属结构(2)，在其上表面的四角分别设有一个直角结构(1)，在其下平面设有金属背板(4)。
其中：
该超表面包括一个以上的基本单元阵列，所述基本单元阵列由M×N基本单元结构组成，M和N为非零正整数；所述基本单元阵列按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上。
基本单元中直角金属结构(1)与相邻单元中的直角金属结构共同组成小十字型结构，工作于高频段；而单元中央的十字型结构尺寸大于小十字型结构，工作于低频段。
所述的数字编码矩阵采取1比特编码，其基本单元分为16种单元结构；通过独立调节两个十字型金属结构的臂长，使得优化得到的单元结构分别在高频段和低频段的x和y极化波的激励下具有独立的0或180度相位响应，因此得到16个不同的数字态编码，这16种不同的数字态编码对应16种单元结构。
所述1比特编码表示为“0”和“1”，分别对应的两种反射相位为0度和180度；16个数字态编码标记为“0/0-0/0”、“0/0-0/1”、“0/0-1/0”、“0/0-1/1”、“0/1-0/0”、“0/1-0/1”、“0/1-1/0”、“0/1-1/1”、“1/0-0/0”、“1/0-0/1”、“1/0-1/0”、“1/0-1/1”、“1/1-0/0”、“1/1-0/1”、“1/1-1/0”、“1/1-1/1”，其中，编码的短横杠“-”的前两位对应的是低频部分，后两位对应的是高频部分，每个频段编码中的斜杠“/”的前一位代表x极化波激励时的编码，后一位代表y极化波激励时的编码。
所述超表面采用的基本单元是高频段和低频段谐振结构共口径的设计，两个频段的谐振结构都具备各向异性，针对x和y极化入射波具有不同的相位响应。
所述编码超表面，在同一块上分别在高频段、低频段两种正交线极化波的激励下，产生四种远场辐射模式。
所述的编码超表面能在11.7GHz和18GHz下，x极化和y极化下分别产生四种不同的远场辐射模式。
所述微波介质层为F4B微波介质板。
根据所对应的频段，选取对应的金属，本申请中频段对应选取铜。
两个不同尺寸的十字型金属结构分别在高低频的x和y极化入射波激励下产生独立的相位响应；金属背板层保证了入射波能被完全反射回去，确保了反射效率；微波介质层起到了隔离两层金属层的作用，两层金属铜层分别印刷在介质板层的两侧。
单元上层金属结构中间较大的十字型结构工作在低频段，而四周较小的直角金属结构与相邻单元上相同的直角金属部分共同组成较小的十字型结构，工作在高频段。通过优化十字型金属结构的几何参数，每个单元在不同频率下x和y极化的电磁波照射下呈现出不同的反射相位。
在设计编码图案排布时，在低频段采用一维间隔分布，而在高频采用棋盘格分布。并且针对x和y极化的入射波采用不同规格的子单元阵列，以区分两种极化激励下的远场方向图。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.本发明中的编码超表面，采用的基本单元是高频和低频结构共口径的设计，只需要单层介质结构就可以实现双频段工作的性能。
2.本发明中的编码超表面，在两个频段的x和y极化波的激励下，拥有各自独立的编码，在同一块超表面可以独立地产生四种远场辐射模式。
3.本发明中的编码超表面，在两个频段的x和y极化波的激励下，结构之间的极化隔离度非常好，不同频率之间的耦合也很小。
4.本发明结构简单，易于加工。微波段的编码超表面的制作采用常规的印刷电路板工艺即可。
附图说明
图1和2是双频段各向异性编码超表面的单元结构示意图；
图3是单元分别在11.7GHz和18GHz频点x和y极化入射波激励下的表面电流分布；
图4是改变参数ly，单元分别在x极化和y极化入射波激励下的反射系数；
图5是改变参数ly2，单元分别在x极化和y极化入射波激励下的反射系数；
图6是编码超表面在不同频率和极化入射波照射下所对应的编码图案；
图7是双频段各向异性编码超表面的结构图案；
图8是编码超表面在不同频率和极化入射波照射下所对应的三维远场仿真结果；
图9是编码超表面在不同频率和极化入射波照射下所对应的实验测试与仿真结果对比。
图中有：直角金属结构1、十字型金属结构2、介质层3、金属背板4。
p为基本单元结构的边长，h为介质层的厚度，1x为十字型金属结构在x方向的线长，1y为十字型金属结构在y方向的线长，w为十字型金属结构线宽，1x2/2为直角金属结构在x方向的线长，1y2/2为直角金属结构在y方向的线长，w2/2为直角金属结构的线宽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体阐述。
本发明是一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，该超表面的基本单元结构包括直角金属结构1、十字型金属结构2、介质层3以及金属背板4；其中，介质层3的平面为方形，在其上表面中央设有共口径十字型金属结构2，在其上表面的四角分别设有一个直角结构1，在其下平面设有金属背板4。
基本单元中直角金属结构与相邻单元中的直角金属结构共同组成较小的十字型结构，工作于高频段；而单元中央较大的十字型结构工作于低频段。
该超表面包括一个以上的子单元阵列，所述子单元阵列由M×N基本单元结构组成，M和N为非零正整数；所述子单元阵列按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上。
根据所对应的频段，选取对应的金属，本申请中频段对应选取铜。
两个不同尺寸的十字型金属结构分别在高低频的x和y极化入射波激励下产生独立的相位响应；金属背板层保证了入射波能被完全反射回去，确保了反射效率；微波介质层起到了隔离两层金属层的作用，两层金属铜层分别印刷在介质板层的两侧。
单元上层金属结构中间较大的十字型结构工作在低频段，而四周较小的直角金属结构与相邻单元上相同的直角金属部分共同组成较小的十字型结构，工作在高频段。通过优化十字型金属结构的几何参数，每个单元在不同频率下x和y极化的电磁波照射下呈现出不同的反射相位。
在设计编码图案排布时，在低频段采用一维间隔分布，而在高频段采用棋盘格分布。并且针对x和y极化的入射波采用不同规格的子单元阵列，以区分两种极化激励下的远场方向图。
所述微波介质层为F4B微波介质板。
本发明的共口径设计的双频段各向异性编码超表面，包括一个以上的子单元阵列，所述子单元阵列主要由M×N基本单元结构组成，M和N为非零正整数；所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上。
编码超表面采取1比特编码为例，其基本单元分为16种单元结构。通过独立调节两个十字型金属结构的臂长，使得优化得到的单元结构在分别在高频和低频的x和y极化波的激励下具有独立的0或180度相位响应，因此得到16个不同的数字态编码，这16种不同的数字态编码对应16种单元结构。
1比特编码表示为“0”和“1”，分别对应的两种反射相位为0度和180度；16个数字态编码标记为“0/0-0/0”、“0/0-0/1”、“0/0-1/0”、“0/0-1/1”、“0/1-0/0”、“0/1-0/1”、“0/1-1/0”、“0/1-1/1”、“1/0-0/0”、“1/0-0/1”、“1/0-1/0”、“1/0-1/1”、“1/1-0/0”、“1/1-0/1”、“1/1-1/0”、“1/1-1/1”，对应单元的尺寸参数lx/ly-lx2/ly2(mm)分别为8.0/8.0-5.3/5.3、8.0/8.0-5.3/4.5、8.0/8.0-4.5/5.3、8.0/8.0-4.5/4.5、8.0/6.3-5.3/5.3、8.0/6.3-5.3/4.5、8.0/6.3-4.5/5.3、8.0/6.3-4.5/4.5、6.3/8.0-5.3/5.3、6.3/8.0-5.3/4.5、6.3/8.0-4.5/5.3、6.3/8.0-4.5/4.5、6.3/6.3-5.3/5.3、6.3/6.3-5.3/4.5、6.3/6.3-4.5/5.3、6.3/6.3-4.5/4.5(mm)。其中，编码的短横杠“-”的前两位对应的是低频部分，后两位对应的是高频部分，每个频段编码中的斜杠“/”的前一位代表x极化波激励时的编码，后一位代表y极化波激励时的编码。
所述的编码超表面能在11.7GHz和18GHz下，x极化和y极化下分别产生四种不同的远场辐射模式。
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
图1和2展示了共口径设计的双频段各向异性编码超表面的基本构成单元，单元上层金属结构中心处较大的十字结构工作在11.7GHz附近，而四周较小的金属结构与相邻单元上相同的金属部分共同组成较小的十字结构，工作在18GHz附近。上层金属结构印刷在背面全覆铜的F4B介质板上。单元周期p为10mm，介质板厚度h为2mm(相对介电常数为2.65，损耗正切角为0.001)。十字型金属结构的线宽w固定为1mm，其沿x和y方向的线长分别标记为lx和ly。直角金属结构线宽w2为0.5mm，其沿x和y方向的线长分别标记为lx2和ly2。金属结构和金属背板层采用的金属为铜，厚度t均为0.018mm。
图3是单元分别在11.7GHz和18GHz频点x和y极化入射波激励下的表面电流分布图。从图中可以看出，y极化波激励时，电流集中分布在y方向的金属臂旁，而x极化波激励时，电流集中分布在x方向的金属臂旁，说明单元对x极化和y极化入射波的极化隔离度很好。而在低频段入射波的激励下，中心处较大的十字型金属结构上产生电流，而在高频段入射波的激励下，单元四角较小的金属结构上产生电流，说明单元在高频与低频之间的耦合也很小。
图4是固定lx为8mm，改变ly，单元分别在x极化和y极化入射波激励下的反射系数。在低频段(11.7GHz)附近可以看出，随着ly的变化，y极化入射波的反射相位随之变化，而x极化入射波的反射相位几乎没有变化，可以看出交叉极化之间的隔离度非常高。另外，改变ly对幅度影响不大，均保持在0.9以上。
图5是固定lx2为4.5mm，改变ly2，单元分别在x极化和y极化入射波激励下的反射系数。在高频段(18GHz)附近可以看到随着ly2的变化，y极化入射波的反射相位随之变化，而x极化入射波的反射相位几乎没有变化，也可以看出交叉极化之间的隔离度非常高。同样地，改变ly2对幅度影响不大，均保持在0.9以上。
从图4和图5可以看出，参数ly变化时，对高频段的相位响应影响很小，而参数ly2变化时，对低频段的相位响应影响也很小，说明工作在高频段和低频段的两个谐振结构之间的耦合很小，频率隔离度也非常好，这为在高频段和低频段对单元进行独立控制提供了保障。
图6为编码超表面在不同频段和极化入射波照射下所对应的编码图案。当低频段x极化入射波激励时，编码图案沿y方向按照010101…间隔分布，每个0或1对应三行相同的低频段x极化下的编码；当低频段y极化入射波激励时，编码图案沿x方向按照010101…间隔分布，每个0或1对应两列相同的低频段y极化下的编码；当高频段x极化入射波激励时，编码图案呈现棋盘格分布，每个子单元阵列有2×3个高频段x极化下的相同编码；当高频段y极化入射波激励时，编码图案也呈现棋盘格分布，每个子单元阵列有3×3个高频段y极化的相同编码。
图7展示了共口径设计的双频段各向异性编码超表面的结构图案，图8展示了编码超表面在不同频率和极化入射波照射下所对应的三维远场仿真结果。在低频段入射波激励下，编码图案呈现0101周期排布，反射波束为对称的双波束，偏折角θ的计算公式为：θ＝sin-1(λ/Γ)，λ是自由空间的波长，Γ是编码超表面编码序列的周期。对于低频段f＝11.7GHz：电场方向为x极化的入射波，出射波束在yoz平面内，偏折角θ＝25.89°；电场方向为y极化的入射波，出射波束在xoz平面内，偏折角θ＝40°。当高频段入射波激励时，超表面的编码排布呈棋盘格分布，出射波束模式为对称的四波束，偏折角θ和方位角φ的计算公式为：对于高频段f＝18GHz：电场方向为x极化的入射波，出射波束的偏折角θ＝30.05°，四波束的方位角φ分别为56.18°、123.82°、236.18°、303.82°；电场方向为y极化的入射波，出射波束的偏折角θ＝19.29°，方位角φ分别为45°、135°、225°、315°。图8中的全波仿真结果与理论计算的结果，基本保持一致，验证了单元设计的准确性以及编码超表面对双频段正交线极化波的独立调控能力。
图9是编码超表面在不同频率和极化入射波照射下所对应的实验测试与仿真结果对比。暗室的转台测试系统一次只能测试某个方位角剖面内的远场能量，因此在测量高频段的四波束远场方向图时，选取了包含其中两波束的截面。如图9所示，实线为实验测量结果，虚线部分为仿真结果，可以看到，仿真结果与实测结果非常吻合，说明该编码超表面实现了在两个频段下对x和y极化的入射波进行独立调控。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。由于本发明设计思路清晰，应用前景广泛，单元设计和加工简单，在单元中继续引入谐振单元，可以实现在三频段甚至更多频段工作，以用于实现更多复杂的多功能。同时该方法不仅局限于微波频段，也可以延伸至毫米波，太赫兹，红外以及可见光波段。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，其特征在于：该超表面的基本单元结构包括直角金属结构(1)、十字型金属结构(2)、介质层(3)以及金属背板(4)；其中，介质层(3)的平面为方形，在其上表面的中央设有十字型金属结构(2)，在其上表面的四角分别设有一个直角结构(1)，在其下平面设有金属背板(4)。
2.根据权利要求1所述的共口径设计的双频段各向异性编码超表面，其特征在于：该超表面包括一个以上的基本单元阵列，所述基本单元阵列由M×N基本单元结构组成，M和N为非零正整数；所述基本单元阵列按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上。
3.根据权利要求1或2所述的共口径设计的双频段各向异性编码超表面，其特征在于：基本单元中直角金属结构(1)与相邻单元中的直角金属结构共同组成小十字型结构，工作于高频段；而单元中央的十字型结构尺寸大于小十字型结构，工作于低频段。
4.根据权利要求3所述的共口径设计的双频段各向异性编码超表面，其特征在于：所述的数字编码矩阵采取1比特编码，其基本单元分为16种单元结构；通过独立调节两个十字型金属结构的臂长，使得优化得到的单元结构分别在高频段和低频段的x和y极化波的激励下具有独立的0或180度相位响应，因此得到16个不同的数字态编码，这16种不同的数字态编码对应16种单元结构。
5.根据权利要求4所述的一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，其特征在于：所述1比特编码表示为“0”和“1”，分别对应的两种反射相位为0度和180度；16个数字态编码标记为“0/0-0/0”、“0/0-0/1”、“0/0-1/0”、“0/0-1/1”、“0/1-0/0”、“0/1-0/1”、“0/1-1/0”、“0/1-1/1”、“1/0-0/0”、“1/0-0/1”、“1/0-1/0”、“1/0-1/1”、“1/1-0/0”、“1/1-0/1”、“1/1-1/0”、“1/1-1/1”，其中，编码的短横杠“-”的前两位对应的是低频部分，后两位对应的是高频部分，每个频段编码中的斜杠“/”的前一位代表x极化波激励时的编码，后一位代表y极化波激励时的编码。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，其特征在于：所述超表面采用的基本单元是高频段和低频段谐振结构共口径的设计，两个频段的谐振结构都具备各向异性，针对x和y极化入射波具有不同的相位响应。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，其特征在于：所述编码超表面，分别在高频段、低频段两种正交线极化波的激励下，产生四种远场辐射模式。
8.根据权利要求7所述的一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，其特征在于：所述的编码超表面能在11.7GHz和18GHz下，x极化和y极化下分别产生四种不同的远场辐射模式。
9.根据权利要求1所述的一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，其特征在于：所述微波介质层为F4B微波介质板。
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