CN111313157A - 一种双波束反射编码超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双波束反射编码超表面，其特征在于：包括在工作频点相位响应由高到低依次相差接近45°的八种超表面单元，所述八种超表面单元按照一定的编码序列排列，用于实现在入射波垂直入射时，反射波束有两束，其方位角分别为
和
每种超表面均包括三层结构，从上至下为上层金属图案、中间介质层和下层金属板。本发明具有结构简单、厚度较薄、设计巧妙灵活、制作成本低、加工简单等特点。其在通信等领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料领域，涉及一种双波束反射编码超表面。
背景技术
新型人工电磁材料，即电磁超材料，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期或非周期性地排列，或者植入基体材料内部或表面所构成的一种人工材料。超表面是超材料的二维模式，由于其具有厚度薄、质量小、易于制造等优点，被学者们广泛关注。人们利用其独特的电磁特性已经实现异常反射、极化转化、全息等多种特殊功能。
2014年，崔铁军教授课题组提出编码超表面的概念，采用数字编码的方式对电磁波实现调控。1-bit编码超表面由两种反射相位差为180°的单元结构组成，分别用数字态“0”和“1”表示，通过对“0”和“1”的编码序列设计，可实现对入射电磁波的调控。编码超表面的概念可以推广到2-bit以及更高比特。编码超表面的编码序列有很多丰富的组合，因此在调控电磁波的特性上也是千变万化。
双波束天线在电子对抗、卫星通信、多目标雷达系统等领域具有广泛的应用前景。传统的双波束天线主要有三种基本形式，包括透镜式、反射面式和相控阵式，但存在设计成本高、结构复杂等缺点。
目前，国内外基于编码超表面对双波束的研究相对比较少，因此基于编码超表面设计双波束反射具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服传统实现双波束方法的复杂性，从编码超表面的角度出发，设计双波束反射，提供一种双波束反射编码超表面。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双波束反射编码超表面，包括在工作频点相位响应由高到低依次相差接近45°的八种超表面单元，所述八种超表面单元按照一定的编码序列排列，用于实现在入射波垂直入射时，反射波束有两束，其方位角分别为
和
每种超表面均包括三层结构，从上至下为上层金属图案、中间介质层和下层金属板。
进一步，所述八种超表面单元，分别对应数字态“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”。其在28GHz处的反射相位分别为：-195°、-241°、-289°、-333°、-375°、-421°、-469°和-513°。
进一步，所述八种超表面单元上层金属图案的尺寸分别为0.3mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、0.3mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm。。
进一步，所述上层金属图案材料为铜，厚度为0.018mm。
进一步，所述中间介质层材料为F4B，介电常数εr＝2.65，损耗正切角tanδ＝0.001，厚度为1.5mm。
进一步，所述下层金属板的材料为铜，厚度为0.018mm。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明设计采用的超表面单元结构，设计简单，只需调节一个几何参数，即可在工作频点实现8种超表面单元的相位响应从高到低相位差基本保持在45°。
(2)本发明采用离散的单元编码形式设计超表面，具有设计灵活简单的优势。
(3)本发明所设计的双波束编码超表面，可用常规的印刷电路板工艺，加工方便，易于实现。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为双波束反射编码超表面示意图；
图2为超表面单元结构示意图；
图3为8种超表面单元结构示意图；
图4为8种超表面单元结构的相频曲线；
图5为编码序列；
图6为所设计编码超表面在电磁波垂直入射时其三维远场散射；
图7为所设计编码超表面在电磁波垂直入射时，其方位角为90°的二维散射；
图8为所设计编码超表面在电磁波垂直入射时，其方位角为315°的二维散射。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为双波束反射编码超表面示意图。该编码超表面由40×40个超表面单元组成，其中包含8种不同的超表面单元。整体结构有三层，上层金属图案，中间介质层，下层金属板。整体尺寸大小为140mm×140mm。
图2为超表面单元结构的示意图。图2(a)为超表面单元结构的俯视图，图2(b)为超表面单元结构的侧视图。超表面单元由三层构成，单元从上至下依次为上层金属图案、中间介质层和下层金属板。上层金属图案的尺寸为p＝3.5mm、g＝0.3mm、c＝1.5mm、θ＝120°，厚度h1＝0.018mm，材料为铜；中间介质层的厚度为h＝1.5mm，材料为F4B，其介电常数为2.65，损耗角正切为0.001；下层金属板的厚度为h1＝0.018mm，材料为铜。
图3为8种超表面单元结构示意图。8种超表面单元分别用“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”和“7”表示。8种超表面单元上层金属图案的尺寸a分别为0.3mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、0.3mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm。
图4为8种超表面单元结构的相频曲线。其在28GHz处的相位相应分别为-195°、-241°、-289°、-333°、-375°、-421°、-469°和-513°，8种超表面单元的相位响应从高到低相位差基本保持在45°。
图5为编码序列。在这里我们引入超级子单元的概念，超级子单元由N×N个相同的基本单元结构组成。所设计的编码超表面由20×20个超级子单元构成，每个超级子单元由2×2个相同相位的超表面单元组成，也就是编码序列中的每一个数字代表2×2个相同相位的超表面单元。
图6为所设计编码超表面在电磁波垂直入射时其三维远场散射。将超表面单元按照图5中的编码序列进行摆布，仿真结果表明，当x极化的平面波垂直入射到编码超表面时，在28GHz处，其反射波束有两束，其方位角分别为
和
图7为所设计编码超表面在电磁波垂直入射时，其方位角为90°的二维散射。当x极化的平面波垂直入射到编码超表面时，在28GHz处，方位角为
的波束，其偏折角为θ＝22.6°。
图8为所设计编码超表面在电磁波垂直入射时，其方位角为315°的二维散射。当x极化的平面波垂直入射到编码超表面时，在28GHz处，方位角为
的波束，其偏折角为θ＝33.3°。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种双波束反射编码超表面，其特征在于：包括在工作频点相位响应由高到低依次相差接近45°的八种超表面单元，所述八种超表面单元按照一定的编码序列排列，用于实现在入射波垂直入射时，反射波束有两束，其方位角分别为
和
每种超表面均包括三层结构，从上至下为上层金属图案、中间介质层和下层金属板。
2.根据权利要求1所述的双波束反射编码超表面，其特征在于：所述八种超表面单元，分别对应数字态“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”。其在28GHz处的反射相位分别为：-195°、-241°、-289°、-333°、-375°、-421°、-469°和-513°。
3.根据权利要求1所述的双波束反射编码超表面，其特征在于：所述八种超表面单元上层金属图案的尺寸分别为0.3mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、0.3mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm。。
4.根据权利要求1所述的双波束反射编码超表面，其特征在于：所述上层金属图案材料为铜，厚度为0.018mm。
5.根据权利要求1所述的双波束反射编码超表面，其特征在于：所述中间介质层材料为F4B，介电常数εr＝2.65，损耗正切角tanδ＝0.001，厚度为1.5mm。
6.根据权利要求1所述的双波束反射编码超表面，其特征在于：所述下层金属板的材料为铜，厚度为0.018mm。
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| CN202010129660.5A CN111313157A (zh) | 2020-02-28 | 2020-02-28 | 一种双波束反射编码超表面 |
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| CN107465000A (zh) * | 2017-07-23 | 2017-12-12 | 中国人民解放军空军工程大学 | 宽带、极化不敏感螺旋编码rcs减缩超表面及其设计方法 |
| EP3300172A1 (en) * | 2016-09-22 | 2018-03-28 | British Telecommunications public limited company | Beamsteering using metamaterials |
| CN109888502A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-06-14 | 东南大学 | 用于微波段反射功能的电磁编码超材料及其基本单元 |
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