CN111129782A - 基于超表面的双圆极化三通道逆向反射器 - Google Patents

Abstract

基于超表面的双圆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的逆向反射器存在体积大、结构复杂的问题。相邻的两个U型金属带条的开口方向与多个反射型贴片单元的长度方向所成的夹角分别137°和43°，U型金属带条接收入射角度为60度、0度或‑60度的圆极化平面波，该圆极化波通过介质基板入射至金属地，还用于根据相邻的两个U型金属带条的开口方向与多个反射型贴片单元的长度方向所成的夹角来调节反射波的相位，使相邻的两个金属地生成的反射波的相位差为180度；每个金属地对圆极化波实现电磁波全反射，生成多个反射波；反射型贴片单元对多个反射波进行叠加，形成反射波反射回原入射方向。用于形成逆反射。

Description

基于超表面的双圆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。本设计基于超表面，提出了一种超薄的三通道逆向反射器，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。

发明内容

本发明是为了解决现有的的逆向反射器存在体积大、结构复杂的问题。现提供基于超表面的双圆极化三通道逆向反射器。

基于超表面的双圆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，

每个反射型贴片单元1包括U型金属带条1-1、介质基板1-2和金属地1-3，

U型金属带条1-1、介质基板1-2和金属地1-3从上至下依次层叠排布；

多个反射型贴片单元1沿着直线排列，相邻的两个U型金属带条1-1的开口方向与多个反射型贴片单元1的长度方向所成的夹角分别137°和43°，

U型金属带条1-1，用于接收入射角度为60度、0度或-60度的圆极化平面波，该圆极化波通过介质基板1-2入射至金属地1-3，还用于根据相邻的两个U型金属带条1-1的开口方向与多个反射型贴片单元1的长度方向所成的夹角来调节反射波的相位，使相邻的两个金属地生成的反射波的相位差为180度；

每个金属地1-3，用于对圆极化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，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，圆极化平面波包括右旋圆极化波或左旋圆极化波。

优选的，每个反射波的反射角度为：

式中，θ_r为每个反射型贴片单元上反射波与法线的夹角，k_mx为第m个反射波的衍射模的波数，k_mx＝k_in+m×k_g，kin为圆极化平面波的波数，

p是周期的长度，

k₀为空间波数。

优选的，反射波的波数M表示为：

式中，

是取整符号。

优选的，根据相邻的两个U型金属带条1-1的开口方向与多个反射型贴片单元1的长度方向所成的夹角分别137°和43°：

得到相邻的两个金属地生成的反射波的相位差D为180度，

式中，θ为入射角度，θ取60度或-60度。

优选的，介质基板1-2的厚度为3mm，介质基板1-2的介电常数为ε_r＝3。

本发明的有益效果为：

本申请的设计基于超表面(超表面的结构由多个反射型贴片单元组成)，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。

本申请的相邻两个反射型贴片单元之间的反射波相位相差180度，这样的设计不仅降低了设计难度而且完美地抑制了镜像反射，为实现三通道的逆向反射提供了一种简单的设计方法。本申请由多个反射型贴片单元构成的反射器能够以-60°，0°或60°的右旋圆极化波或左旋圆极化波下入射，并高效地反射回原来的入射方向。本发明具有超薄、双圆极化、三通道、高效率等优点。经过实验测得本申请的反射器对于两种双圆极化入射波在三个通道的逆向反射效率都能达到94％以上。

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圆极化三通道逆向反射器的结构；

图3为在右旋圆极化波照射下，反射型贴片单元的反射相位系数随U型金属带条旋转角度的变化曲线，附图标记3和4分别表示在右旋圆极化波照射下，反射型贴片单元的幅度和相位随U型金属带条旋转角度的变化曲线，附图标记3-1和3-2表示在右旋圆极化波照射下，U型金属带条在图2的两个开口方向下的幅度，附图标记4-1和4-2表示在右旋圆极化波照射下，U型金属带条在图2的两个开口方向下的相位；

图4为在左旋圆极化波照射下，反射型贴片单元的反射相位系数随U型金属带条旋转角度的变化曲线，附图标记3和4分别表示在左旋圆极化波照射下，反射型贴片单元的幅度和相位随U型金属带条旋转角度的变化曲线，附图标记5-1和5-2表示在左旋圆极化波照射下，U型金属带条在图2的两个开口方向下的幅度，附图标记6-1和6-2表示在左旋圆极化波照射下，U型金属带条在图2的两个开口方向下的相位；

图5(a)为右旋圆极化波以-60°的入射角入射下在xoz平面内三个通道的雷达散射截面积仿真图；图5(b)为右旋圆极化波以-60°的入射角入射下三个通道的入射波的近场电场分布，其中箭头指的是右旋圆极化波以-60°的入射角入射；图5(c)为右旋圆极化波以-60°的入射角入射下三个通道的反射波的近场电场分布，其中箭头指的是反射波以-60°的角度反射；

图6(a)为右旋圆极化波以0°的入射角入射下在xoz平面内三个通道的雷达散射截面积仿真图；图6(b)为右旋圆极化波以0°的入射角入射下三个通道的入射波的近场电场分布，其中箭头指的是右旋圆极化波以0°的入射角入射；图6(c)为右旋圆极化波以0°的入射角入射下三个通道的反射波的近场电场分布，其中箭头指的是反射波以0°的角度反射；

图7(a)为右旋圆极化波以60°的入射角入射下在xoz平面内三个通道的雷达散射截面积仿真图；图7(b)为右旋圆极化波以60°的入射角入射下三个通道的入射波的近场电场分布，其中箭头指的是右旋圆极化波以60°的入射角入射；图7(c)为右旋圆极化波以60°的入射角入射下三个通道的反射波的近场电场分布，其中箭头指的是反射波以60°的角度反射；

图8(a)为左旋圆极化波以-60°的入射角入射下在xoz平面内三个通道的雷达散射截面积仿真图；图8(b)为左旋圆极化波以-60°的入射角入射下三个通道的入射波的近场电场分布，其中箭头指的是左旋圆极化波以-60°的入射角入射；图8(c)为左旋圆极化波以-60°的入射角入射下三个通道的反射波的近场电场分布，其中箭头指的是反射波以-60°的角度反射；

图9(a)为左旋圆极化波以0°的入射角入射下在xoz平面内三个通道的雷达散射截面积仿真图；图9(b)为左旋圆极化波以0°的入射角入射下三个通道的入射波的近场电场分布，其中箭头指的是左旋圆极化波以0°的入射角入射；图9(c)为左旋圆极化波以0°的入射角入射下三个通道的反射波的近场电场分布，其中箭头指的是反射波以0°的角度反射；

图10(a)为左旋圆极化波以60°的入射角入射下在xoz平面内三个通道的雷达散射截面积仿真图；图10(b)为左旋圆极化波以60°的入射角入射下三个通道的入射波的近场电场分布，其中箭头指的是左旋圆极化波以60°的入射角入射；图10(c)为左旋圆极化波以60°的入射角入射下三个通道的反射波的近场电场分布，其中箭头指的是反射波以60°的角度反射；

图11(a)为右旋圆极化波以-60°的入射角入射下三个通道雷达散射截面积测试结果；图11(b)为右旋圆极化波以0°的入射角入射下三个通道雷达散射截面积测试结果；图11(c)为右旋圆极化波以60°的入射角入射下三个通道雷达散射截面积测试结果；

图12(a)为左旋圆极化波以-60°的入射角入射下三个通道雷达散射截面积测试结果；图12(b)为左旋圆极化波以0°的入射角入射下三个通道雷达散射截面积测试结果；图12(c)为左旋圆极化波以60°的入射角入射下三个通道雷达散射截面积测试结果。

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圆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，

每个反射型贴片单元1包括U型金属带条1-1、介质基板1-2和金属地1-3，

U型金属带条1-1、介质基板1-2和金属地1-3从上至下依次层叠排布；

多个反射型贴片单元1沿着直线排列，相邻的两个U型金属带条1-1的开口方向与多个反射型贴片单元1的长度方向所成的夹角分别137°和43°，

U型金属带条1-1，用于接收入射角度为60度、0度或-60度的圆极化平面波，该圆极化波通过介质基板1-2入射至金属地1-3，还用于根据相邻的两个U型金属带条1-1的开口方向与多个反射型贴片单元1的长度方向所成的夹角来调节反射波的相位，使相邻的两个金属地生成的反射波的相位差为180度；

每个金属地1-3，用于对圆极化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，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，本申请的原理分析：

由多阶衍射的原理可知，如果多个反射型贴片单元沿x方向周期性排列，则多个反射型贴片单元的k-空间运算可以表示为：

其中p是周期的长度。当周期超表面被波数为k_in的平面波照射时，将产生无限多的衍射模，其衍射模的波数满足：k_mx＝k_in+m×k_g，其中k_mx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，而其他模则被困在多个反射型贴片单元的近场中。传播模式的数目由入射波数k_in和亚表面波数k_g共同决定，可以由以下公式得到：

这里表示

是取整符号。传播模式的反射角的计算公式如下：

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k_in和k_g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：

对于通道1(入射角为-60°)和通道3(入射角为60°)中的逆向反射，相位梯度的方向应同时与入射波矢量k_in和–k_in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。当两个反射型贴片单元彼此相邻排列时，多个反射型贴片单元能够分别沿信道1的波矢量k_in的-x方向和信道3的波矢量k_in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后向反射的方法。此外，反射型贴片间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多个反射型贴片单元一个周期的长度为：

由于我们设计的双线极化的逆向反射器工作在10GHz，所以其周期p应为17.5mm，又因为每个周期内有两个单元，所以每个单元的周期应为8.75mm。

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圆极化三通道逆向反射器作进一步说明，本实施方式中，圆极化平面波包括右旋圆极化波或左旋圆极化波。

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圆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：

式中，θ_r为每个反射型贴片单元上反射波与法线的夹角，k_mx为第m个反射波的衍射模的波数，k_mx＝k_in+m×k_g，kin为圆极化平面波的波数，

p是周期的长度，

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圆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：

式中，

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圆极化三通道逆向反射器作进一步说明，本实施方式中，根据相邻的两个U型金属带条1-1的开口方向与多个反射型贴片单元1的长度方向所成的夹角分别137°和43°：

得到相邻的两个金属地生成的反射波的相位差D为180度，

式中，θ为入射角度，θ取60度或-60度。

本实施方式中，根据Pancharatnam-Berry(P-B)相位理论，在圆极化波的照射下，当反射型贴片单元旋转时会在其产生的交叉极化分量中引入相位突变。在斜入射的情况下，修正的P-B相位公式可以用来描述相位突变量D和单元旋转角度之间的关系：

其中Φ_y是单元被y极化波垂直入射时的反射相位，在这里是一个常量。±分别代表右旋圆极化波和左旋圆极化波。图3和4分别给出了10GHz时在右旋和左旋圆极化波60度的斜入射下交叉极化分量的反射系数随U型金属带条的开口旋转角度的变化。由图可知，当U型金属带条的开口的旋转角度从0度变化到180度时，引入到交叉极化分量中的相位变化可以覆盖整个360度范围，而且反射型贴片单元的反射幅度都在0.98以上。从图3和4中可以得到引入到交叉极化分量中的相位突变和单元旋转角度之间的关系为：

从图3和4中可以看出左旋入射下的相位变化曲线和右旋入射下的相位变化曲线是关于

称的，这意味着右旋入射下旋转角度为90°±β的单元和左旋入射下旋转角度为90°mβ的单元具有相同的相位突变。因此旋转角度分别为90°+β和90°-β的两个单元能在左旋和右旋入射下在交叉极化分量中提供相同的相位突变。这里相位该变量为180°，根据公式：

算得β的值为47°。因此两个单元的旋转角度分别为43°和137°，这两个点在图3和4中标出。基于这两个单元，将它们依次相邻地在x方向上排布，有60个单元的反射器被设计出来如图2所示。在y方向的边界条件设为周期边界。图5(a)、图6(a)、图7(a)、图8(a)、图9(a)和图10(a)给出了反射器分别以-60°、0°和60°角被右旋圆极化波和左旋圆极化波照射时，xoz平面上三个通道的雷达散射截面积。这些散射结果表明，在通道1和通道3中，反射的镜像分量非常弱，这可能是由于在x方向上相邻单元并不完全相同，不满足周期边界条件产生的同极化分量。图5(b)、5(c)、图6(b)、6(c)、图7(b)和7(c)给出了右旋圆极化波入射下三个通道近场区的仿真入射和反射电场分布，图8(b)、8(c)、图9(b)、9(c)、图10(b)、和图10(c)显示了左旋圆极化波入射下的仿真入射和反射电场分布，进一步验证了所提出的后向反射器能够反映入射以近乎完美的方式向双圆偏振的原始方向反射。图11和图12给出了测试结果，由于通道2(入射角为0°)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和通道3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。计算得到右旋入射下三个通道的孔径效率分别为99.4％、100％和94..4％，左旋圆极化波入射下三个通道的效率为96.4％，100％和97.3％。

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圆极化三通道逆向反射器作进一步说明，本实施方式中，介质基板1-2的厚度为3mm，介质基板1-2的介电常数为ε_r＝3。

Claims (6)

1.基于超表面的双圆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)，

每个反射型贴片单元(1)包括U型金属带条(1-1)、介质基板(1-2)和金属地(1-3)，

U型金属带条(1-1)、介质基板(1-2)和金属地(1-3)从上至下依次层叠排布；

多个反射型贴片单元(1)沿着直线排列，相邻的两个U型金属带条(1-1)的开口方向与多个反射型贴片单元(1)的长度方向所成的夹角分别137°和43°，

U型金属带条(1-1)，用于接收入射角度为60度、0度或-60度的圆极化平面波，该圆极化波通过介质基板(1-2)入射至金属地(1-3)，还用于根据相邻的两个U型金属带条(1-1)的开口方向与多个反射型贴片单元(1)的长度方向所成的夹角来调节反射波的相位，使相邻的两个金属地生成的反射波的相位差为180度；

每个金属地(1-3)，用于对圆极化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)，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。

2.根据权利要求1所述基于超表面的双圆极化三通道逆向反射器，其特征在于，圆极化平面波包括右旋圆极化波或左旋圆极化波。

3.根据权利要求1所述基于超表面的双圆极化三通道逆向反射器，其特征在于，每个反射波的反射角度为：

式中，θ_r为每个反射型贴片单元上反射波与法线的夹角，k_mx为第m个反射波的衍

射模的波数，k_mx＝k_in+m×k_g，k_in为圆极化平面波的波数，

p是周期的长度，

k₀为空间波数。

4.根据权利要求3所述基于超表面的双圆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：

式中，

是取整符号。

5.根据权利要求1所述基于超表面的双圆极化三通道逆向反射器，其特征在于，根据相邻的两个U型金属带条(1-1)的开口方向与多个反射型贴片单元(1)的长度方向所成的夹角分别137°和43°：

得到相邻的两个金属地生成的反射波的相位差D为180度，

式中，θ为入射角度，θ取60度或-60度。

6.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，介质基板(1-2)的厚度为3mm，介质基板(1-2)的介电常数为ε_r＝3。

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