CN110380224B - 一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面及其设计方法，超表面包括各向异性反射式二比特编码超表面与馈源，馈源分别沿两正交极化方向放置，以分别辐射两种正交极化的电磁波；各向异性反射式二比特编码超表面包括P×Q个尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元，按照既定功能所对应的编码序列对尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元进行排列，根据具体功能选取馈源种类并确定超表面与馈源的距离，从而超表面在两种正交极化的电磁波激励下，分别对反射电磁波的波前按需进行调控。本发明首次实现了近场高阶轨道角动量涡旋波与远场多波束劈裂的功能组合，验证了其对电磁波的灵活调控。

Description

一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面及其设计方法
技术领域
本发明属于双功能电磁功能器件领域，具体涉及一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面及其设计方法。
背景技术
在过去近20年内，超材料因它出众的波前调控能力引起了社会的广泛关注，也因此得到了飞速的发展。然而，超材料难以实现的等效参数、复杂的三维结构及较高的材料损耗导致其难以被应用于实际生产。超表面，作为一种二维形式的超材料，由于其在一个方向上的厚度为亚波长尺寸，因此其对电磁波的调控机理已经不再受限于三维超材料的等效媒质理论。在2011年，一种基于梯度相位的超表面被提出并实现了反射电磁波的异常反射、折射，即实现了广义斯涅耳反射、折射定律。所述基于梯度相位的超表面由许多超表面单元组成，在超表面的一个或多个方向上，对超表面单元按照梯度变化的反射或透射相位响应进行排列，当电磁波入射到超表面时，其具有梯度变化规律的相位突变使得入射电磁波实现了异常反射、折射。在梯度相位超表面出现之后，其对电磁波的强大而又自由的调控能力引起了科学界的关注。在此之后，研究人员们基于梯度相位超表面的设计思路实现了空间波到表面波的完美转换、对电磁波的完美透射以及宽频带内对电磁波的幅度相位同时调控。
最近，编码超表面由于其对超表面单元独特的状态划分而获得业界的广泛关注。所述编码超表面由许多超表面单元构成，超表面单元的反射或透射相位响应在一个周期内被等间隔划分为比特形式，例如具有相位响应“0”和“180°”的单元被分别定义为状态“0”和“1”，由这两个单元构成的编码超表面被称作一比特编码超表面；同理，具有相位响应“0”、“90°”、“180°”和“270°”的单元被分别定义为“00”、“01”、“10”和“11”，由这四个单元构成的编码超表面被称作二比特编码超表面。编码超表面对超表面单元的电磁响应进行了比特量化，通过对不同状态的超表面单元进行预定功能的编码排列，即可实现对电磁波的既定调控。相较于传统的梯度相位超表面，这种对超材料单元的编码方式大大减小了设计的复杂度，使得对超表面的设计更加灵活，并且能够保证对电磁波良好的调控效果。
各向异性超表面由许多各向异性超表面单元组成，所述各向异性超表面单元在不同极化的电磁波激励下表现出不同的电磁响应。在既定极化的入射电磁波激励下，各向异性超表面可以对同极化电磁波进行独立的调控，且几乎不产生交叉极化电磁响应。由于具有高度的极化独立性，各向异性超表面已被用来对不同极化的电磁波进行独立且高效的调控，简化了多功能电磁器件的设计难度。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提出一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面及其设计方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面，包括各向异性反射式二比特编码超表面与馈源,馈源为线极化馈源，馈源的极化方向分别与两正交极化方向对齐放置，从而分别辐射两种正交极化的电磁波；各向异性反射式二比特编码超表面包括P×Q个尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元，按照既定功能所对应的编码序列对尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元进行排列，根据既定功能选取馈源种类并确定超表面与馈源的距离，从而超表面在两种正交极化的电磁波激励下，分别对反射电磁波的波前进行调控，以实现既定的功能。
可选的，各向异性反射式二比特编码超表面单元包括金属贴片、介质基板和金属背板三层结构，上层金属贴片为两个双向箭头结构，两双向箭头中心重叠，分别沿两正交极化方向放置；中间层介质基板为常用微波高频介质基板；下层金属背板为全金属，覆盖整个单元背面；通过分别改变上层两正交双向箭头臂长，分别在两正交极化方向改变单元的反射相位响应。
可选的，金属贴片和金属背板的材料均为铜，厚度均为0.018mm或者0.035mm。
可选的，沿一个固定的极化方向，只使用四种具有不同反射相位响应的各向异性反射式超表面单元，即只使用4种具有不同尺寸参数的各向异性反射式超表面单元，则在两个极化状态下，总共有16种不同尺寸参数的各向异性反射式超表面单元。
可选的，线极化馈源的极化状态改变依靠对馈源的机械旋转，当馈源位于一个极化方向时，将馈源旋转90°，即得到与之正交的极化特性。
可选的，馈源距离各向异性反射式二比特编码超表面的距离为f，即超表面的焦距为f，焦距根据超表面的既定功能设置，当超表面的功能属于对反射电磁波的近场波前调控范畴，焦距f依据几何光学相位补偿原理确定；当超表面的功能属于对反射电磁波的远场调控范畴，需要入射波为平面波，因而焦距的概念弱化，但需要满足天线远场条件
Figure BDA0002142990630000031
其中D为超表面口径大小，λ为超表面的工作波长。
可选的，馈源根据超表面的既定功能进行选取，当超表面的功能属于对反射电磁波的近场波前调控范畴，因为馈源与超表面距离较近，为防止影响超表面对电磁波近场的调控效果，选取波导天线、贴片天线或单极子天线电尺寸较小的天线作为馈源；当超表面的功能属于对反射电磁波的远场调控范畴，超表面对馈源的要求为平面波入射，且馈源距离超表面的距离满足天线远场条件，因此选取标准增益喇叭天线作为馈源。
本发明还提供了一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面的设计方法，其包括以下步骤：
(1)设计各向异性反射式二比特编码超表面单元；
确定两种极化方向上各种比特状态所对应的单元尺寸参数，单元比特状态的划分取决于单元之间的相位差，对于二比特的超表面单元，相邻两个单元的相位差为90°；
(2)根据两正交极化下的既定功能，分别给出整个超表面口径的反射相位分布，并对相位分布进行二比特量化，获得与超表面二比特相位分布所对应的编码图案；
(3)按照编码图案选取并排布对应尺寸的超表面单元结构，获得超表面的整体结构；
(4)根据既定功能选取馈源类型以及馈源至超表面的距离f，通过对馈源的机械旋转改变入射波的极化方向。
进一步的，步骤(2)具体为：
首先假设超表面由P×Q个尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元组成，假定对于y极化，期待实现的功能为近场高阶轨道角动量涡旋波，则其口径上相位分布应为：
Figure BDA0002142990630000032
其中，
Figure BDA0002142990630000033
表示超表面的第p行，第q列的单元在y极化激励下的反射相位响应，mod表示将相位以360°取模，使相位值控制在0-360°之间，l表示轨道角动量涡旋波的阶数；
为保证近场高阶轨道角动量涡旋波生成效果，采用点源对超表面进行激励，设置点源距离超表面f＝300mm，则需对超表面进行点源相位的补偿，超表面口径面上需要补偿的的相位分布为：
Figure BDA0002142990630000041
其中，ψy(p，q)表示超表面的第p行，第q列的单元在y极化点源激励下需要补偿的反射相位响应，λ为超表面的中心工作波长；
因此，在y极化下，超表面的每个超表面单元应该具有的反射相位响应应为：
Figure BDA0002142990630000042
由上式得到的相位分布是连续分布，下面对超表面单元的反射相位响应进行二比特量化：
Figure BDA0002142990630000043
其中，Λy(p，q)指的是在少极化下，超表面的第p行，第q列的单元所对应的比特状态；根据上式，得到实现近场高阶轨道角动量涡旋波的编码矩阵；
假定对于x极化，期待实现的功能为远场多波束劈裂，使用平面电磁波作为激励，则超表面的远场函数应为：
Figure BDA0002142990630000044
其中Θ和Φ分别代表俯仰角和方位角，Fe(Θ，Φ)是单位角度的远场函数，
Figure BDA0002142990630000045
表示超表面的第p行，第q列的单元在x极化平面波激励下所对应的反射相位响应；略去相位响应中的绝对相位信息后，超表面的方向性函数为：
Figure BDA0002142990630000046
通过给定
Figure BDA0002142990630000047
的取值，得到既定的超表面方向图；
在x极化下，超表面的第p行，第q列的单元所对应的比特状态表示为：
Figure BDA0002142990630000048
根据上式，得到实现远场多波束劈裂的编码矩阵。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)设计简单：本发明对各向异性反射式超表面单元进行二比特的反射相位量化。在各向异性反射式二比特编码超表面的设计中，在两个正交极化状态下，总共只有16种不同尺寸参数的各向异性反射式超表面单元被用于进行超表面的整体设计。单元种类少，设计简单快捷。
(2)结构简单，成本低廉：本发明精度要求不高，可采用PCB工艺进行加工，加工难度低，成本低廉。
(3)剖面低：本发明的各向异性反射式二比特编码超表面是单层结构，剖面低，易于集成，应用场景广泛。
(4)易于功能集成：本发明的各向异性反射式二比特编码超表面可以实现双功能集成，且在集成两个不同的功能时互不影响，对于所实现功能的类型亦没有限制。
附图说明
图1是本发明的结构图示意图；
图2是各向异性反射式二比特编码超表面单元结构示意图；
图3是各向异性反射式二比特编码超表面单元的反射幅度和相位响应仿真结果图；
图4是两种基于各向异性反射式二比特编码超表面的双功能天线在两个正交极化(x、y极化)下所分别对应的编码图案；
图5是近场正二阶轨道角动量涡旋波-远场二波束劈裂双功能天线所对应的超表面结构示意图；
图6是近场负三阶轨道角动量涡旋波-远场四波束劈裂双功能天线所对应的超表面结构示意图；
图7是近场正二阶轨道角动量涡旋波-远场二波束劈裂双功能天线在y极化激励下的正二阶轨道角动量涡旋波仿真电场幅度与相位；
图8是近场正二阶轨道角动量涡旋波-远场二波束劈裂双功能天线在x极化激励下的远场二波束劈裂仿真三维方向图；
图9是双功能天线的近场与远场测试环境图；
图10是近场正二阶轨道角动量涡旋波-远场二波束劈裂双功能天线在x极化激励下的远场二波束劈裂仿真与实测的二维方向图；
图11是近场正二阶轨道角动量涡旋波-远场二波束劈裂双功能天线在y极化激励下的正二阶轨道角动量涡旋波实测电场幅度与相位；
图12是近场负三阶轨道角动量涡旋波-远场四波束劈裂双功能天线在y极化激励下的负三阶轨道角动量涡旋波仿真电场幅度与相位；
图13是近场负三阶轨道角动量涡旋波-远场四波束劈裂双功能天线在x极化激励下的远场四波束劈裂仿真三维方向图；
图14是近场负三阶轨道角动量涡旋波-远场四波束劈裂双功能天线在x极化激励下的远场四波束劈裂仿真与实测的二维方向图；
图15是近场负三阶轨道角动量涡旋波-远场四波束劈裂双功能天线在y极化激励下的负三阶轨道角动量涡旋波实测电场幅度与相位。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。以下两个实施例仅是本发明的优选实施方式，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等同替换，如改变二比特各向异性超表面单元的形状尺寸、改变超表面的激励方式或者改变超表面所实现的功能等。需要指出的是，凡是基于各向异性反射式二比特编码超表面设计的双功能器件，以及对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面，包括各向异性反射式二比特编码超表面与馈源。
所述各向异性反射式二比特编码超表面包括P×Q个尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元，按照既定功能所对应的编码序列对尺寸参数各不相同的超表面单元进行排列，根据既定功能选取馈源种类并确定超表面与馈源的距离，从而超表面可以在两种正交极化(x、y极化)的电磁波激励下，分别对反射电磁波的波前进行调控，以实现既定的功能。既定功能在这里指的是期望用所述超表面来实现的功能，是电磁领域一些常用的功能，比如球面波转平面波、近场聚焦、进场无线输能、远场多波束赋型、远场波束扫描、雷达散射截面缩减、近场轨道角动量涡旋波、贝塞尔波束、艾里波束等等。
所述各向异性反射式二比特编码超表面单元由金属贴片-介质基板-金属背板组成，共计三层结构。上层金属贴片为两个双向箭头结构，两双向箭头中心重叠，分别沿两正交极化(x、y极化)方向放置；中间层介质基板为常用微波高频介质基板；下层金属背板为全金属，覆盖整个单元背面。通过分别改变上层两正交双向箭头的臂长尺寸，会分别在两正交极化(x、y极化)方向引起单元的反射相位响应的变化。
比特型反射式超表面单元依据一个相位变化周期内(0°-360°)对单元的反射相位响应的离散程度作为不同比特状态的划分依据。二比特表明在所述双功能超表面的设计中，沿一个固定的极化(x或y极化)方向，应具有22种比特状态，对应于4种具有不同反射相位响应的各向异性反射式超表面单元，即使用4种具有不同尺寸参数的各向异性反射式超表面单元，考虑到本发明器件的双极化特点，每个方向具有22种比特状态，，则在两个正交极化方向下应具有22×2种状态，对应于16种具有不同反射相位响应的各向异性反射式超表面单元，因此总共16种不同尺寸参数的各向异性反射式超表面单元被用于构建各向异性反射式二比特编码超表面。
所述馈源为线极化馈源，馈源的极化状态改变依靠对馈源的机械旋转。当馈源位于一个极化(x或y极化)方向时，将馈源旋转90°，即可得到与之正交的极化(y或x极化)特性。
所述馈源距离各向异性反射式二比特编码超表面距离为f，即超表面的焦距。焦距根据超表面的预定功能设定，当超表面的功能属于对反射电磁波的近场波前调控范畴，焦距f依据几何光学相位补偿原理确定；当超表面的功能属于对反射电磁波的远场调控范畴，需要入射波为平面波，因而焦距的概念弱化，但需要满足天线远场条件
Figure BDA0002142990630000071
其中D为超表面口径大小，λ为超表面的工作波长。
馈源根据超表面的预定功能进行选取，当超表面的功能属于对反射电磁波的近场波前调控范畴，因为馈源与超表面距离较近，为防止影响超表面对电磁波近场的调控效果，可选取波导天线、贴片天线或单极子天线等电尺寸较小的天线作为馈源；当超表面的功能属于对反射电磁波的远场调控范畴，超表面对馈源的要求为平面波入射，且馈源距离超表面的距离满足天线远场条件，因此可选取标准增益喇叭天线作为馈源。
本发明的一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面，以近场高阶轨道角动量涡旋波-远场多波束劈裂双功能天线为例，具体设计步骤为：
(1)设计二比特各向异性超表面单元。首先应确定不同状态的单元所对应的尺寸参数，本发明所述的二比特各向异性超表面单元通过改变上层双向金属箭头的臂长尺寸，引起单元的反射相位响应的变化，从而使得单元对应于不同的比特状态，单元的结构如图2所示。使用商用仿真软件CST进行单元的仿真优化，假设单元工作的中心频率为15GHz，得到单元具体尺寸如下：t＝0.035mm，h＝2mm，a＝7mm，wa＝0.2mm，w＝0.6mm，li＝3，4.22，4.7，5.92mm，其中，i＝x，y。其中a是超表面单元的边长，约为1/3个波长，属于亚波长范畴，t是上层金属贴片和下层金属背板的厚度，为PCB工艺常用的覆铜厚度，h表示单元厚度，wa表示两个正交极化(x、y极化)方向上双向箭头的宽度，w是箭头末分叉的长度，li(i＝x，y)代表的是两个正交极化(x、少极化)方向上双向箭头的臂长，li＝3，4.22，4.7，5.92mm分别对应在某一极化方向(x或y极化)上“11”、“10”、“01”和“11”这四种比特状态，单元的反射相位响应如图3(a)所示。需要注意的是，单元比特状态的划分取决于单元之间的相位差，对于二比特的超表面单元，相邻两个单元的相位差为90°，单元的比特状态不受其绝对相位大小的影响。
图3(b)是单元的幅度响应仿真结果图，可以看出不同状态的单元的反射幅度均大于0.98，近似全反射，具有很高的反射效率。
图3(c)是在x极化激励下，保持x方向双向箭头的臂长lx不变，改变y方向对应的双向箭头的臂长ly，单元的反射相位响应仿真结果。可以看出，单元的反射相位响应不受交叉极化影响，具有很高的极化独立性。
(2)根据两正交极化(x、y极化)下的既定功能，分别给出整个超表面口径的反射相位分布，并对相位分布进行二比特量化，获得与超表面二比特相位分布所对应的编码图案。
首先假设超表面由P×Q个尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元组成。假定对于y极化，期待实现的功能为近场高阶轨道角动量涡旋波，则其口径上相位分布应为：
Figure BDA0002142990630000081
其中，
Figure BDA0002142990630000082
表示超表面的第p行，第q列的单元在y极化激励下的反射相位响应，p＝1，2，3…P，q＝1，2，3…Q，mod表示将相位以360°取模，使相位值控制在0-360°之间，l表示轨道角动量涡旋波的阶数。
为保证近场高阶轨道角动量涡旋波生成效果，本发明采用点源对超表面进行激励，设置点源距离超表面的距离为f＝300mm，则需对超表面进行点源相位的补偿，超表面口径面上需要补偿的的相位分布为：
Figure BDA0002142990630000091
其中，ψy(p，q)表示超表面的第p行，第q列的单元在y极化点源激励下需要补偿的反射相位响应，λ为超表面的中心工作波长。
因此，在y极化下，超表面的每个超表面单元应该具有的反射相位响应应为：
Figure BDA0002142990630000092
由公式(3)得到的相位分布是连续分布，下面对超表面单元的反射相位响应进行二比特量化：
Figure BDA0002142990630000093
其中，Λy(p，q)指的是在少极化下，超表面的第p行，第q列的单元所对应的比特状态。根据公式(4)，可以得到实现近场高阶轨道角动量涡旋波的编码矩阵，其对应的编码图案如图4(b)和4(d)所示。
假定对于x极化，期待实现的功能为远场多波束劈裂，使用平面电磁波作为激励，则超表面的远场函数应为：
Figure BDA0002142990630000094
其中，Θ和Φ分别代表俯仰角和方位角，Fe(Θ，Φ)是单位角度的远场函数，
Figure BDA0002142990630000095
表示超表面的第p行，第q列的单元在x极化平面波激励下所对应的反射相位响应。略去相位响应中的绝对相位信息后，超表面的方向性函数为：
Figure BDA0002142990630000096
通过给定
Figure BDA0002142990630000097
的取值，便可以得到既定的超表面方向图。
同公式(4)，在x极化下，超表面的第p行，第q列的单元所对应的比特状态可以表示为：
Figure BDA0002142990630000101
根据公式(7)，可以得到实现远场多波束劈裂的编码矩阵，其对应的编码图案如图4(a)和4(c)所示。
(3)按照编码矩阵选取并排布对应尺寸的超表面单元结构，获得超表面的整体结构。如步骤(1)所述，单元的参数li(i＝x，y)代表的是两个正交极化(x、y极化)方向上双向箭头的臂长，li＝3，4.22，4.7，5.92mm分别对应在某一极化方向上(x或y极化)“11”、“10”、“01”和“00”这四种比特状态，按照图4的编码图案，依次排列相应尺寸的超表面单元，超表面的整体结构如图5与图6所示。
(4)根据既定功能适当选取馈源类型以及馈源至超表面的距离f，通过对馈源的机械旋转改变入射波的极化方向。对于y极化下需要用点源激励以实现的近场高阶轨道角动量涡旋波功能，选取工作在12GHz-18GH的标准口径波导天线作为馈源，根据步骤(2)设置馈源至超表面的距离为f＝300mm，约为15个波长，再考虑其口面尺寸为15.8mm×7.9mm，仅为约两个超表面单元大小，因此可以近似为一个点源。
对于x极化下需要用平面波激励以实现的远场波束劈裂功能，选取工作在12GHz-18GH的标准增益喇叭天线作为馈源，设置馈源至超表面的距离为
Figure BDA0002142990630000102
即满足远场条件，此时喇叭辐射的电磁波在到达超表面时可以近似为平面波。
对于线极化馈源，当其位于一个极化(x或y极化)方向时，将其旋转90°，即可得到与之正交的极化(y或x极化)特性。
实施例1：近场正二阶轨道角动量涡旋波-远场二波束劈裂双功能天线
近场正二阶轨道角动量涡旋波-远场二波束劈裂双功能天线的设计步骤详见上述设计步骤(1)-(4)，其具体功能为在y极化点源激励下实现近场正二阶轨道角动量涡旋波的功能，在x极化平面波激励下实现远场二波束劈裂的功能。
在具体设计过程中，对于y极化实现近场正二阶轨道角动量涡旋波，需设置公式(1)中l＝2，再根据公式(1)-(4)可以得到正二阶轨道角动量涡旋波对应的编码状态，如图4(b)所示。
对于x极化实现远场二波束劈裂，首先根据公式(5)-(6)得到波束相对于中心轴(z方向)的偏折角度，两个波束相对于中心轴呈现轴对称分布，其偏折角度为：
Figure BDA0002142990630000111
其中，θ1表式波束的偏折角，D1表式超表面的周期长度，在这里我们设置D1＝3×a＝21mm，λ＝20mm，得到偏折角的理论值为θ1＝28.4°。由此我们也得到超表面在x极化下所对应的编码状态，如图4(a)所示。
为了验证所述双功能天线的双功能，我们使用商用全波仿真软件CST对该天线进行了仿真，仿真的结果如图7与图8所示。图7是近场正二阶轨道角动量涡旋波的幅度和相位，可以看出幅度高的部分呈现圆环状，相位具有两个悬臂，呈现螺旋状；图8是远场二波束劈裂的远场方向图，可以看出两个主波束沿中心轴z轴对称辐射。仿真结果显示该天线在两个正交极化激励下分别实现了既定的功能，验证了上述设计过程的正确性。
为了进一步验证所述双功能天线的可实现性，我们采用PCB工艺对超表面进行了加工，并在电磁暗室分别对所述天线的近远场功能进行了验证，近场与远场的测试环境如图9所示。图10是所述双功能天线在x极化平面波激励下所实现的二波束劈裂实测远场方向图，实验结果表明两个劈裂的波束对称分布在中心轴两侧，实测偏折角为28°，与理论值吻合良好。图11是所述双功能天线在y极化点源激励下生成的近场正二阶轨道角动量涡旋波电场强度与相位分布图。测试时使用探针对电磁波进行接收，探针被放置在距离超表面600mm(30个波长)远的位置，这样设置便于验证轨道角动量涡旋波的传播特性。实测结果表明生成的涡旋波能够在自由空间正常传播，不会过早的模式退化或者能量衰落。实验过程中，我们发现所述双功能天线所生成的涡旋波在14GHz-16GHz内均具有良好的质量。为了表征涡旋波的质量，我们采用离散傅里叶变换对计算所生成的涡旋波的模式纯度，计算的具体公式如下：
Figure BDA0002142990630000112
Figure BDA0002142990630000113
其中。Pu表示轨道角动量涡旋波的模式纯度，
Figure BDA0002142990630000114
表示对应的采样相位。根据公式(9)-(10)，我们计算了中心频率15GHz处正二阶轨道角动量涡旋波的纯度，其纯度为83.1％，表明实验生成的涡旋波有很高的质量。
实施例2：近场负三阶轨道角动量涡旋波-远场四波束劈裂双功能天线
近场负三阶轨道角动量涡旋波-远场四波束劈裂双功能天线的设计步骤详见上述设计步骤(1)-(4)，其具体功能为在y极化点源激励下实现近场负三阶轨道角动量涡旋波的功能，在x极化平面波激励下实现远场四波束劈裂的功能。
在具体设计过程中，对于y极化实现近场正二阶轨道角动量涡旋波，需设置公式(1)中l＝-3，再根据公式(1)-(4)可以得到负三阶轨道角动量涡旋波对应的编码状态，如图4(d)所示。
对于x极化实现远场四波束劈裂，首先根据公式(5)-(6)得到波束相对于中心轴(z方向)的偏折角度，四个波束相对于中心轴呈现中心对称分布，其偏折角度为：
Figure BDA0002142990630000121
其中，θ2表式波束的偏折角，D2表式超表面的周期长度，在这里我们设置D2＝2×3a＝42mm，λ＝20mm，得到偏折角的理论值为θ2＝19.7°。由此我们也得到超表面在x极化下所对应的编码状态，如图4(c)所示。
为了验证所述双功能线的双功能，我们使用商用全波仿真软件CST对该天线进行了仿真，仿真的结果如图12与图13所示。图12是近场负三阶轨道角动量涡旋波的幅度和相位，可以看出幅度高的部分呈现圆环状，相位具有三个悬臂，呈现螺旋状；图13是远场四波束劈裂的远场方向图，可以看出四个主波束沿中心轴z轴对称辐射。仿真结果显示该天线在两个正交极化激励下分别实现了既定的功能，验证了上述设计过程的正确性。
为了进一步验证所述双功能天线的可实现性，我们采用PCB工艺对超表面进行了加工，并在电磁暗室分别对所述天线的近远场功能进行了验证。图14是所述双功能天线在x极化平面波激励下所实现的四波束偏折远场实测方向图，实验结果表明四个劈裂的波束对称分布在中心轴两侧，实测偏折角约为18.9°，与理论值以及仿真结果吻合良好。
图15是所述双功能天线在y极化点源激励下生成的近场负三阶轨道角动量涡旋波电场强度与相位分布图。根据公式(9)-(10)，我们计算了中心频率15GHz处正二阶轨道角动量涡旋波的纯度，其纯度为43.6％，具有良好的效果。

Claims (7)

1.一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面的设计方法，其特征在于，该各向异性反射式二比特双功能编码超表面，包括各向异性反射式二比特编码超表面与馈源,馈源为线极化馈源，馈源的极化方向分别与两正交极化方向对齐放置，从而分别辐射两种正交极化的电磁波；各向异性反射式二比特编码超表面包括P×Q个尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元，按照既定功能所对应的编码序列对尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元进行排列，根据既定功能选取馈源种类并确定超表面与馈源的距离，从而超表面在两种正交极化的电磁波激励下，分别对反射电磁波的波前进行调控，以实现既定的功能；设计方法包括以下步骤：
（1）设计各向异性反射式二比特编码超表面单元；
确定两种极化方向上各种比特状态所对应的单元尺寸参数，单元比特状态的划分取决于单元之间的相位差，对于二比特的超表面单元，相邻两个单元的相位差为90°；
（2）根据两正交极化下的既定功能，分别给出整个超表面口径的反射相位分布，并对相位分布进行二比特量化，获得与超表面二比特相位分布所对应的编码图案；具体为：
首先假设超表面由P×Q个尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元组成，假定对于y极化，期待实现的功能为近场高阶轨道角动量涡旋波，则其口径上相位分布应为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 489112DEST_PATH_IMAGE002
(p=1,2,3…P，q=1,2,3…Q)表示超表面的第p行，第q列的单元在y极化激励下的反射相位响应，mod表示将相位以360°取模，使相位值控制在0-360°之间，l表示轨道角动量涡旋波的阶数；
为保证近场高阶轨道角动量涡旋波生成效果，采用点源对超表面进行激励，设置点源距离超表面f = 300mm，则需对超表面进行点源相位的补偿，超表面口径面上需要补偿的的相位分布为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，
Figure 940954DEST_PATH_IMAGE004
表示超表面的第p行，第q列的单元在y极化点源激励下需要补偿的反射相位响应，λ为超表面的中心工作波长；
因此，在y极化下，超表面的每个超表面单元应该具有的反射相位响应应为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
由上式得到的相位分布是连续分布，下面对超表面单元的反射相位响应进行二比特量化：
Figure 257534DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
指的是在y极化下，超表面的第p行，第q列的单元所对应的比特状态；根据上式，得到实现近场高阶轨道角动量涡旋波的编码矩阵；
假定对于x极化，期待实现的功能为远场多波束劈裂，使用平面电磁波作为激励，则超表面的远场函数应为：
Figure 603065DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
其中Θ和Φ分别代表俯仰角和方位角，
Figure 832052DEST_PATH_IMAGE010
是单位角度的远场函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示超表面的第p行，第q列的单元在x极化平面波激励下所对应的反射相位响应；略去相位响应中的绝对相位信息后，超表面的方向性函数为：
Figure 895823DEST_PATH_IMAGE012
；
通过给定
Figure 986401DEST_PATH_IMAGE011
的取值，得到既定的超表面方向图；
在x极化下，超表面的第p行，第q列的单元所对应的比特状态表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
根据上式，得到实现远场多波束劈裂的编码矩阵；
（3）按照编码图案选取并排布对应尺寸的超表面单元结构，获得超表面的整体结构；
（4）根据既定功能选取馈源类型以及馈源至超表面的距离f，通过对馈源的机械旋转改变入射波的极化方向。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面的设计方法，其特征在于，各向异性反射式二比特编码超表面单元包括金属贴片、介质基板和金属背板三层结构，上层金属贴片为两个双向箭头结构，两双向箭头中心重叠，分别沿两正交极化方向放置；中间层介质基板为常用微波高频介质基板；下层金属背板为全金属，覆盖整个单元背面；通过分别改变上层两正交双向箭头臂长，分别在两正交极化方向改变单元的反射相位响应。
3.根据权利要求2所述的一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面的设计方法，其特征在于，金属贴片和金属背板的材料均为铜，厚度均为0.018mm或者0.035mm。
4.根据权利要求1所述的一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面的设计方法，其特征在于，沿一个固定的极化方向，只使用四种具有不同反射相位响应的各向异性反射式超表面单元，即只使用4种具有不同尺寸参数的各向异性反射式超表面单元，则在两个极化状态下，总共有16种不同尺寸参数的各向异性反射式超表面单元。
5.根据权利要求1所述的一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面的设计方法，其特征在于，馈源为线极化馈源，馈源的极化状态改变依靠对馈源的机械旋转，当馈源位于一个极化方向时，将馈源旋转90°，即得到与之正交的极化特性。
6.根据权利要求1所述的一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面的设计方法，其特征在于，馈源距离各向异性反射式二比特编码超表面的距离为f，即超表面的焦距为f，焦距根据超表面的既定功能设置，当超表面的功能属于对反射电磁波的近场波前调控范畴，焦距f依据几何光学相位补偿原理确定；当超表面的功能属于对反射电磁波的远场调控范畴，需要入射波为平面波，因而焦距的概念弱化，但需要满足天线远场条件
Figure 452017DEST_PATH_IMAGE014
，其中D为超表面口径大小，λ为超表面的工作波长。
7.根据权利要求1所述的一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面的设计方法，其特征在于，馈源根据超表面的既定功能进行选取，当超表面的功能属于对反射电磁波的近场波前调控范畴，因为馈源与超表面距离较近，为防止影响超表面对电磁波近场的调控效果，选取波导天线、贴片天线或单极子天线电尺寸较小的天线作为馈源；当超表面的功能属于对反射电磁波的远场调控范畴，超表面对馈源的要求为平面波入射，且馈源距离超表面的距离满足天线远场条件，因此选取标准增益喇叭天线作为馈源。
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