CN111129781B - 基于超表面的双线极化三通道逆向反射器 - Google Patents

基于超表面的双线极化三通道逆向反射器 Download PDF

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Abstract

基于超表面的双线极化三通道逆向反射器，涉及反射器领域。本发明是为了解决现有的反射器存在结构复杂和体积庞大的问题。多个反射型贴片单元和多个反射型单元沿着同一直线交错排列，矩形贴片用于接收入射角度为60度、0度或‑60度的平面波，该波通过一号介质基板入射至一号金属地，还用于根据矩形贴片的长度和宽度来调节反射波的相位，使相邻的一号金属地和二号金属地生成反射波相位差180度；一号金属地和二号金属地均用于对平面波实现电磁波的全反射，生成多个反射波；反射型贴片单元和反射型单元用于对多个反射波进行叠加，叠加后形成的反射波反射回原入射方向，实现逆向反射。它用于形成逆向反射。

Description

基于超表面的双线极化三通道逆向反射器
技术领域
本发明涉及反射器。属于反射器领域。
背景技术
逆向反射器是一种能将电磁波反射回入射方向的装置。无损和无源回复反射器在微波和光学频率上都有许多实际应用，如遥感、目标跟踪、雷达截面增强、动态光学标签、自由空间通信、传感器网络等。反射镜是最简单的后向反射结构，但它只能在波垂直照射时提供强烈的后向反射。角反射器和龙伯透镜被广泛用于回复反射器设计。对于角反射器，入射波会被一些适当连接的金属板反射两到三次，从而产生反反射现象。对于龙伯透镜，其结构多次散射，从而增强了反向反射波分量。显然，这些器件体积庞大，不适合小型化和集成化。超表面是由亚波长散射体组成的人工设计的超薄二维超材料，它能够操纵传播波的相位、振幅和偏振度。由于其特殊的波前调控能力，人们基于超表面提出了许多应用，如光束偏转、平面透镜、轨道角动量发生器、隐身、全息图等，这也使得亚表面成为超薄平面后向反射器的良好选择。
超表面是由亚波长散射体组成的人工设计的超薄二维超材料，它能够操纵传播波的相位、振幅和偏振度。由于其特殊的波前调控能力，人们基于超表面提出了许多应用，如光束偏转、平面透镜、轨道角动量发生器、隐身、全息图等，这也使得亚表面成为超薄平面后向反射器的良好选择。
发明内容
本发明是为了解决现有的反射器存在结构复杂和体积庞大的问题。现提供基于超表面的双线极化三通道逆向反射器。
基于超表面的双线极化三通道逆向反射器，所述反射器包括多个反射型贴片单元1和多个反射型单元2，
多个反射型贴片单元1和多个反射型单元2沿着同一直线交错排列，
每个反射型贴片单元1均包括矩形贴片1-1、一号介质基板1-2和一号金属地1-3，
矩形贴片1-1、一号介质基板1-2和一号金属地1-3从上至下依次层叠排布；
每个反射型单元2均包括二号介质基板和二号金属地，二号介质基板设置在二号金属地的顶面上；
矩形贴片1-1，用于接收入射角度为60度、0度或-60度的平面波，该平面波通过一号介质基板1-2入射至一号金属地1-3，还用于根据矩形贴片1-1的长度和宽度来调节反射波的相位，使相邻的一号金属地1-3和二号金属地生成的反射波的相位相差180度；
每个一号金属地1-3和每个二号金属地，均用于对平面波实现电磁波的全反射，生成多个反射波；
多个反射型贴片单元1和多个反射型单元2，用于对多个反射波进行叠加，叠加后形成的反射波反射回原入射方向，从而实现逆向反射。
优选的，平面波包括TE极化波或TM极化波。
优选的，每个反射波的反射角度为：
Figure BDA0002351840590000021
式中，θr为每个反射型单元和每个反射型贴片单元上反射波与法线的夹角，kmx为第m个反射波的衍射模的波数，kmx＝kin+m×kg，kin为平面波的波数，
Figure BDA0002351840590000022
p是周期的长度，
Figure BDA0002351840590000023
k0为空间波数。
优选的，反射波的波数M表示为：
Figure BDA0002351840590000024
式中，
Figure BDA0002351840590000025
是取整符号。
优选的，一号金属地1-3的厚度为2mm，一号介质基板1-2的介电常数为εr＝3，一号介质基板1-2的厚度为2mm。
优选的，矩形贴片1-1的长度px＝5.2mm，矩形贴片1-1的宽度py＝3.4mm。
本发明的有益效果为：
本申请的设计基于超表面(超表面的结构由反射型贴片单元和多个反射型单元组成)，提出了一种超薄的三通道(指入射角度为60度、0度或-60度)逆向反射器，解决了传统逆向反射器尺寸限制的难题，有着广泛的应用前景。所以，本申请结构简单，体积小。
本申请设计了一种亚波长尺寸的基于超表面的双线极化、三通道的电磁波的逆向反射器，能将从三个入射方向60度，0度和-60度入射的TE或TM极化波高效反射回原入射方向，该设计结构简单易于加工，克服了传统透镜厚度极限的缺点。
此外，相邻的反射型贴片单元和反射型单元之间的反射波相位相差180度的相位分布可以有效地抑制掉镜像反射，实现三个角度下的完美逆向反射。本发明具有超薄、双线极化、三通道、高效率等优点。
附图说明
图1为反射型贴片单元的几何结构图；
图2为具体实施方式一所述的基于超表面的双线极化三通道逆向反射器的结构；
图3为给出了当同时改变px和py时，每个反射型贴片单元和每个反射型单元在入射角为60°的TM极化波入射下的反射相位；
图4为给出了当同时改变px和py时，每个反射型贴片单元和每个反射型单元在入射角为60°的TE极化波入射下的反射相位；
图5为TM极化波下反射型贴片单元和反射型单元的反射相位随频率的变化的曲线对比图，附图标记3表示反射型贴片单元的反射相位随频率的变化的曲线，附图标记4表示反射型单元的反射相位随频率的变化的曲线；
图6为TE极化下反射型贴片单元和反射型单元的反射相位随频率的变化的曲线；
图7(a)为当TM极化波以-60°的入射角照射在由多个反射型贴片单元和多个反射型单元构成的反射器上时，在xoz平面内形成的雷达散射截面积；图7(b)为TM极化波以-60°的入射角入射下，入射波的近场电场分布图，其中箭头指的是TM极化波以-60°的入射角入射；图7(c)为TM极化波以-60°的入射角入射下，产生的反射波的近场电场分布图，其中箭头指的是反射波以-60°的角度反射；
图8(a)为当TM极化波以0°的入射角照射在由多个反射型贴片单元和多个反射型单元构成的反射器上时，在xoz平面内形成的雷达散射截面积；图8(b)为TM极化波以0°的入射角入射下，入射波的近场电场分布图，其中箭头指的是TM极化波以0°的入射角入射；图8(c)为TM极化波以0°的入射角入射下，产生的反射波的近场电场分布图，其中箭头指的是反射波以0°的角度反射；
图9(a)为当TM极化波以60°的入射角照射在由多个反射型贴片单元和多个反射型单元构成的反射器上时，在xoz平面内形成的雷达散射截面积；图9(b)为TM极化波以60°的入射角入射下，入射波的近场电场分布图，其中箭头指的是TM极化波以60°的入射角入射；图9(c)为TM极化波以60°的入射角入射下，产生的反射波的近场电场分布图，其中箭头指的是反射波以60°的角度反射；
图10(a)为当TE极化波以-60°的入射角照射在由多个反射型贴片单元和多个反射型单元构成的反射器上时，在xoz平面内形成的雷达散射截面积；图10(b)为TE极化波以-60°的入射角入射下，入射波的近场电场分布图，其中箭头指的是TE极化波以-60°的入射角入射；图10(c)为TE极化波以-60°的入射角入射下，产生的反射波的近场电场分布图，其中箭头指的是反射波以-60°的角度反射；
图11(a)为当TE极化波以0°的入射角照射在由多个反射型贴片单元和多个反射型单元构成的反射器上时，在xoz平面内形成的雷达散射截面积；图11(b)为TE极化波以0°的入射角入射下，入射波的近场电场分布图，其中箭头指的是TE极化波以0°的入射角入射；图11(c)为TE极化波以0°的入射角入射下，产生的反射波的近场电场分布图，其中箭头指的是反射波以0°的角度反射；
图12(a)为当TE极化波以60°的入射角照射在由多个反射型贴片单元和多个反射型单元构成的反射器上时，在xoz平面内形成的雷达散射截面积；图12(b)为TE极化波以60°的入射角入射下，入射波的近场电场分布图，其中箭头指的是TE极化波以60°的入射角入射；图12(c)为TE极化波以60°的入射角入射下，产生的反射波的近场电场分布图，其中箭头指的是反射波以60°的角度反射；
图13(a)为TM极化波以-60°的入射角入射下形成的雷达散射截面积测试结果图；图13(b)为TM极化波以0°的入射角入射下形成的雷达散射截面积测试结果图；图13(c)为TM极化波以60°的入射角入射下形成的雷达散射截面积测试结果图；
图14(a)为TE极化波以-60°的入射角入射下形成的雷达散射截面积测试结果图；图14(b)为TE极化波以0°的入射角入射下形成的雷达散射截面积测试结果图；图14(c)为TE极化波以60°的入射角入射下形成的雷达散射截面积测试结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于超表面的双线极化三通道逆向反射器，所述反射器包括多个反射型贴片单元1和反射型单元2，多个反射型贴片单元1和多个反射型单元2沿着同一直线交错排列，
每个反射型贴片单元1均包括矩形贴片1-1、一号介质基板1-2和一号金属地1-3，
矩形贴片1-1、一号介质基板1-2和一号金属地1-3从上至下依次铺设；
每个反射型单元2均包括二号介质基板和二号金属地，二号介质基板设置在二号金属地的顶面上；
矩形贴片1-1，用于接收入射角度为60度、0度或-60度的平面波，该平面波通过一号介质基板1-2入射至一号金属地1-3，还用于根据矩形贴片1-1的长度和宽度来调节反射波的相位，使相邻的一号金属地1-3和二号金属地生成的反射波的相位相差180度；
每个一号金属地1-3和每个二号金属地，均用于对平面波实现电磁波的全反射，生成多个反射波；
多个反射型贴片单元1和多个反射型单元2，用于对多个反射波进行叠加，叠加后形成的反射波反射回原入射方向，从而实现逆向反射。
本实施方式中，由多阶衍射的原理可知，如果多个反射型贴片单元(超表面)和多个反射型单元(超表面)沿x方向周期性排列(相邻的一个反射型贴片单元和一个反射型单元构成一个周期)，则由多个反射型贴片单元1和多个反射型单元2排布后形成的k-空间运算可以表示为：
Figure BDA0002351840590000051
其中p是周期的长度。当周期超表面被波数为kin的平面波照射时，将产生无限多的反射波的衍射模，其衍射模的波数满足：kmx＝kin+m×kg，其中kmx是第m个衍射模的波数。虽然衍射模的数目是无穷多的，但只有波数在[-k0，k0]范围内的模式可以传播到远场，即传播模，而其他模则被困在超表面的近场中。传播模式的数目由入射波数kin和亚表面波数kg共同决定，可以由以下公式得到：
Figure BDA0002351840590000052
这里表示
Figure BDA0002351840590000053
是取整符号。传播模式的反射角的计算公式如下：
Figure BDA0002351840590000054
为了获得完美的异常反射，在[-k0，k0]范围内只应存在两种传播模式：异常反射模和镜像反射模。任何更高的传播模式都应该排除在[-k0，k0]的范围之外，这可以通过调节kin和kg来实现。当传播模式m的数目被限制为2时，此时kg应满足以下条件：
Figure BDA0002351840590000055
对于通道1(入射角度为-60度)和通道3(入射角度为60度)中的逆向反射，相位梯度的方向应同时与入射波矢量kin和–kin的平行分量的方向相反。传统的相位梯度反射器每个周期由8个或8个以上的单元组成，其相位梯度方向是沿一个固定方向的，这意味着在通道1和通道3中不能同时获得所需的相位梯度。为了克服传统相位梯度反射器的局限性，本文提出了一种利用反射相位相差180°的两个单元构成一个周期来实现三通道反射器的简单方法。当两个单元彼此相邻排列时，超表面能够分别沿信道1的波矢量kin的-x方向和信道3的波矢量kin的x方向提供所需的相位梯度，提供了一种非常简单的实现三通道(指60度、0度或-60度三个角度)后向反射的方法。此外，单元间180度相位差的梯度相位分布可以有效地抑制掉镜像反射，实现通道1和通道3的完美逆向反射。对于通道1和通道3，根据传播模式的反射角的计算公式可以得到超表面一个周期的长度为：
Figure BDA0002351840590000061
由于我们设计的双线极化的逆向反射器工作在15GHz，所以其周期p应为11.5mm，又因为每个周期内有两个单元，所以每个单元的周期应为5.75mm。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于超表面的双线极化三通道逆向反射器作进一步说明，本实施方式中，平面波包括TE极化波或TM极化波。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于超表面的双线极化三通道逆向反射器作进一步说明，本实施方式中，每个反射波的反射角度为：
Figure BDA0002351840590000062
式中，θr为每个反射型单元和每个反射型贴片单元上反射波与法线的夹角，kmx为第m个反射波的衍射模的波数，kmx＝kin+m×kg，kin为平面波的波数，
Figure BDA0002351840590000063
p是周期的长度，
Figure BDA0002351840590000064
k0为空间波数。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的基于超表面的双线极化三通道逆向反射器作进一步说明，本实施方式中，反射波的波数M表示为：
Figure BDA0002351840590000065
式中，
Figure BDA0002351840590000066
是取整符号。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于超表面的双线极化三通道逆向反射器作进一步说明，本实施方式中，一号金属地1-3的厚度为2mm，一号介质基板1-2的介电常数为εr＝3，一号介质基板1-2的厚度为2mm。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于超表面的双线极化三通道逆向反射器作进一步说明，本实施方式中，矩形贴片1-1的长度px＝5.2mm，矩形贴片1-1的宽度py＝3.4mm。
本申请的逆向反射器的工作原理及验证本申请的逆向反射器的反射效率：
图1给出了构造逆向反射器的单元的几何结构和和参数。矩形贴片和金属地被厚度为2mm介电常数为εr＝3的2mm厚的介质基板隔开。px和py是矩形贴片的长度和宽度。这里，px和py一起调节来获得TM和TE极化入射下的反射相位覆盖范围。
图3和4给出了当同时改变px和py时，每个个反射型贴片单元1和每个反射型单元(2)在入射角为60°的TM极化波和TE极化波入射下的反射相位。在不同的极化波照射下，单元的反射幅度都接近100％。图3和4分别给出TM极化的反射相位覆盖率接近210°和TE极化的反射相位覆盖率接近310°，这足以为两个单元的在不同极化波照射下分别提供180°相位差。在这里，我们使用一个反射型贴片单元作为其中一个单元。由于只需选择一个与空单元相差180°的单元，不仅简化了设计过程，而且降低了加工精度的要求，减少了单元间的相互耦合。此外，使用所提出的超表面的逆向反射器是完全对称的，这保证了信道1和信道3的一致性。根据图3和4中的仿真结果，另一个反射型贴片单元的参数优化为px＝5.2mm和py＝3.4mm。
图5和6分别给出了TM极化和TE极化下反射型贴片单元和反射型贴片单元的反射相位随频率的变化的曲线。如图3和4所示，在15GHz时反射型贴片单元和反射型贴片单元在双极化下均能实现约180°相位差。通过将选定的两个反射型贴片单元和反射型贴片单元彼此相邻地放置在一起，构建一个X方向上具有60个单元的逆向反射器，如图2所示。而在模拟边界的x和y方向，模拟边界条件分别设置为开放边界条件和周期边界条件。
图7(a)、图8(a)、图9(a)、10(a)、图11(a)和图12(a)给出了当超表面(指由多个反射型贴片单元和多个反射型单元组成的表面)被x极化波和y极化波以-60°、0°和60°的入射角照射时，xoz平面上三个通道的雷达散射截面积。从雷达散射截面积中可以看出通道1和通道3的反射波中没有镜像反射和高次谐波，实现了完美的逆向反射。
图7(b)、图7(c)、图8(b)、图8(c)、图9(b)、图9(c)、图10(b)、图10(c)、图11(b)、图11(c)、图12(b)和图12(c)给出了仿真得到的双极化三个通道的近场入射电场和反射电场分布。在图2中观察到场分布和散射截面积结果之间的良好一致性，这进一步证实了所提出的后向反射器能够完美地将入射能量反射回其原来的入射方向。
图13给出了测试结果，由于通道2(图13(b)所示的入射角度为0度)的反射为完全的镜像反射，其反射效率为100％，所以可以使用通道2中的RCS对通道1(图13(a)所示的入射角度为-60度)和通道3(图13(c)所示的入射角度为60度)中的测量RCS进行归一化，并与理论值cos2θ进行比较以计算效率。计算得到通道1和通道3的归一化RCS比双极化理论值低0.04dB，计算得到TM入射下三个通道的孔径效率分别为99.3％、100％和99.3％，TE极化入射下三个通道的效率为99.7％，100％和99.7％。

Claims (5)

1.基于超表面的双线极化三通道逆向反射器，其特征在于，所述反射器包括多个反射型贴片单元(1)和多个反射型单元(2)，
多个反射型贴片单元(1)和多个反射型单元(2)沿着同一直线交错排列，
每个反射型贴片单元(1)均包括矩形贴片(1-1)、一号介质基板(1-2)和一号金属地(1-3)，
矩形贴片(1-1)、一号介质基板(1-2)和一号金属地(1-3)从上至下依次层叠排布；
每个反射型单元(2)均包括二号介质基板和二号金属地，二号介质基板设置在二号金属地的顶面上；
矩形贴片(1-1)，用于接收入射角度为60度、0度或-60度的平面波，该平面波通过一号介质基板(1-2)入射至一号金属地(1-3)，还用于根据矩形贴片(1-1)的长度和宽度来调节反射波的相位，使相邻的一号金属地(1-3)和二号金属地生成的反射波的相位相差180度；
每个一号金属地(1-3)和每个二号金属地，均用于对平面波实现电磁波的全反射，生成多个反射波；
多个反射型贴片单元(1)和多个反射型单元(2)，用于对多个反射波进行叠加，叠加后形成的反射波反射回原入射方向，从而实现逆向反射；
每个反射波的反射角度为：
Figure FDA0002929185500000011
式中，θr为每个反射型单元和每个反射型贴片单元上反射波与法线的夹角，kmx为第m个反射波的衍射模的波数，kmx＝kin+m×kg，kin为平面波的波数，
Figure FDA0002929185500000012
p是周期的长度，
Figure FDA0002929185500000013
k0为空间波数。
2.根据权利要求1所述基于超表面的双线极化三通道逆向反射器，其特征在于，平面波包括TE极化波或TM极化波。
3.根据权利要求1所述基于超表面的双线极化三通道逆向反射器，其特征在于，反射波的波数M表示为：
Figure FDA0002929185500000021
式中，
Figure FDA0002929185500000022
是取整符号。
4.根据权利要求1所述基于超表面的双线极化三通道逆向反射器，其特征在于，一号金属地(1-3)的厚度为2mm，一号介质基板(1-2)的介电常数为εr＝3，一号介质基板(1-2)的厚度为2mm。
5.根据权利要求1所述基于超表面的双线极化三通道逆向反射器，其特征在于，矩形贴片(1-1)的长度px＝5.2mm，矩形贴片(1-1)的宽度py＝3.4mm。
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