CN112993585B - 宽带多功能多比特可激励超构表面系统 - Google Patents

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Abstract

提出一种宽带多功能可激励超构表面系统，其单元为长方体结构，上下表面均为正方形，包括介质板、介质板上表面具有缝隙三角形金属贴片、介质板上表面矩形金属贴片、介质板上表面四个分形金属贴片、介质板下表面金属地贴片、穿过介质板的金属过孔、穿过介质板的金属探针，以及介质板下表面的SMA接口。通过对超构表面单元及其旋转90°、180°和270°单元进行两比特编码，通过组阵并连接微波传输线构成宽带多功能可激励超构表面系统。10dB的单站RCS减缩覆盖4.6‑5.9GHz，相对带宽25％，最大减缩量超过25dB；辐射带宽覆盖6.32‑7.46GHz。在不同激励条件下，该系统可实现四波束辐射和不同模态涡旋电磁波辐射。该系统拓展了超构表面的工作模式和带宽，扩展了超构表面的可应用领域。

Description

宽带多功能多比特可激励超构表面系统
技术领域
本发明涉及宽带多功能多比特超构表面设计技术，具体涉及一种两比特(bit) 宽带多功能可激励超构表面系统。
背景技术
超构表面是一种二维的亚波长人工复合周期或非周期结构，其工作频段包 括微波频段、太赫兹频段以及光学频段等，由于具有厚度薄、易共形等特点， 受到越来越多国家的关注，现今超构表面在微波电路及天线隐身技术应用中显 现出极其重要的价值。继2014年数字编码超构材料提出后，2015年多比特数字 编码超构表面(Li-Hua Gao，QiangCheng，Jing Yang，Shao-Jie Ma，Jie Zhao，Shuo Liu，Hai-Bing Chen，Qiong He，Wei-Xiang Jiang，Hui-Feng Ma，Qi-Ye Wen，Lan-Ju Liang，Biao-Bing Jin，Wei-Wei Liu，LeiZhou，Jian-Quan Yao，Pei-Heng Wu，Tie-Jun Cui，Light：Science andApplication.vol.4，no.9，pp.e324，2015)的出现为其快速发 展注入了新的活力。与传统超构表面的单一电磁特性不同，编码超构表面可以 通过周期阵列的编码序列直接控制其调控电磁波的能力，因此利用编码序列就 能控制电磁波的偏转，与此同时能够利用可编程门阵列技术对超构表面单元的 不同特性进行控制，从而形成可编程控制的电磁超构表面(Lianlin Li，Tie Jun Cui， Wei Ji，Shuo Liu，Jun Ding，Xiang Wan，Yun Bo Li，MenghuaJiang，Cheng-Wei Qiu， Shuang Zhang，Nature Communications.vol.8，pp.197，2017)，这种新的超构表面形 式极大推动了电磁波控制技术的发展与应用。但是，由于加载了二极管等有源 器件，可编程控制的超构表面只能工作在较窄频带内，且超构表面本身不能辐 射电磁波。在超构表面的应用领域，将2bit超构表面与天线及其阵列进行结合 (Peng Xu，WeiXiang Jiang，Xiao Cai，Shi Hao Bai，Tie Jun Cui，IEEE Transations on Antennas andPropagation.vol.68，no.2，pp.891-899，2020)，在改变纵向厚度的条件 下能够控制天线阵列的波束指向，实现在7.11～7.35GHz范围内不同的辐射波束， 辐射工作带宽小于5％。同样地利用可控原件对阵列天线的馈电结构进行控制 (Xin Ge Zhang，Wei Xiang Jiang，Han Wei Tian，Zheng Xing Wang，Qiang Wang， Tie Jun Cui，IEEE Transations onAntennas and Propagation.vol.68，no.2，pp.1170-1175，2020)，通过数字控制的方式改变激励的相位，实现天线在 3.48～3.52GHz范围6种不同形式的辐射方向图，辐射工作带宽不足5％。从已有 的研究可以发现，现有的超构表面不具有可辐射的功能，即使是超构表面与天 线的结合，也只是在纵向上简单的组合，辐射贴片与散射控制结构之间的耦合 效应未得到充分利用，导致超构表面天线的辐射工作带宽非常窄。在实际应用 中，可辐射的宽带超构表面系统具有重要的应用场合，无论6G通信射频系统的 智能超构表面，还是特殊平台上的无线通信系统或电子对抗系统，都需要宽带 多功能的多比特可激励超构表面系统的设计与实现。
发明内容
为增强射频孔径系统的利用效率，本发明提供一种宽带多功能可激励超构 表面系统单元，单元为扁长方体结构，其上下表面均为正方形，包括介质板、 介质板上表面金属贴片层、介质板下表面金属地贴片、穿过介质板的金属过孔、 金属探针，以及介质板下表面的SMA接口；其中
介质板为薄长方体结构，其上下表面均为正方形，边长为p，p也是单元的 周期长度；介质板上下表面中心微偏边沿处垂直于介质板上下表面打通孔，通 孔位于左上、右下对角线上靠近右下角处，便于与SMA接口相连的金属探针穿 过；在通孔两边各打有一排金属过孔，金属过孔位于通孔两侧对称分布的位置 处，数量为偶数个，金属过孔的上层接四个分形金属贴片，下层接介质板下表 面金属地贴片，金属过孔是在垂直于介质板上下表面打的通孔，且通孔的桶状 壁上镀金属；
上表面金属贴片层包括具有缝隙的三角形金属贴片、矩形金属贴片、四个 分形金属贴片；每一个单元上有两个具有缝隙的三角形金属贴片，分别位于介 质板上表面的左上角和右下角；介质板上表面左上角的具有缝隙的三角形金属 贴片具体为：该三角形金属贴片呈等腰直角三角形的形状，等腰直角三角形的 两条直角边与介质板的相应直角边分别平行，且保持一定间距，等腰直角三角 形的直角顶点在介质板上的投影在介质板左上、右下角顶点的连线上，因此， 等腰直角三角形的斜边与介质板右上、左下角顶点的连线平行；在三角形金属 贴片斜边上具有等腰直角三角形缺口，等腰直角三角形缺口的形状与所述等腰 直角三角形呈数学上“三角形相似”的关系，等腰直角三角形缺口的斜边与具 有缝隙的等腰直角三角形的斜边重合，等腰直角三角形缺口斜边的中心点与所 述等腰直角三角形斜边的中心点重合；在所述等腰直角三角形上还具有一个直 角缝隙，直角缝隙包括相互垂直布置的两条缝隙，两条缝隙的交点为两条缝隙 对应端顶点，该顶点在介质板上的投影在介质板左上、右下角顶点的连线上， 直角缝隙的两条边与所述等腰直角三角形的两条直角边分别平行；直角缝隙的 长度和宽度不能超过所述等腰直角三角形的长度和宽度；
质板上表面右下角的具有缝隙的三角形金属贴片与介质板上表面左上角的 具有缝隙的三角形金属贴片关于介质板右上、左下角顶点的连线对称布置；
介质板上表面的矩形金属贴片整体呈长方形，位于介质板上表面大致中心 的位置，被具有缝隙的三角形金属贴片和四个分形金属贴片包围，矩形金属贴 片主体呈左上、右下方向，其长边平行于介质板左上、右下角顶点的连线，短 边平行于介质板右上、左下角顶点的连线，矩形金属贴片中心在介质板上的投 影与介质板上表面的中心重合；
金属探针穿过介质板上通孔之后，金属探针上端接矩形金属贴片且穿过矩 形金属贴片；金属探针位于长方形金属贴片宽度方向的中轴线上，因此，金属 探针也贯穿介质板上表面及下表面各自的左上、右下角顶点连线上的一点；
四个分形金属贴片两个为一组，分布在矩形金属贴片两条长边的外侧；每 个分形金属贴片由一个边长a1的第一阶正方形贴片和4个边长a2的第二阶正方 形贴片组成，第二阶正方形贴片的一个角连接第一阶正方形贴片的四个角之一， 因此，四个第二阶正方形贴片分别连接第一阶正方形贴片的四个角，并且，四 个第二阶正方形贴片的各边分别与第一阶正方形贴片的相应边平行；四个分形 金属贴片在介质板上关于左上、右下角连线对称分布；
穿过介质板的金属过孔上端与靠近矩形金属贴片的数个第二阶正方形贴片 相连通，且穿过这数个贴片，金属过孔下端接金属地贴片；
单元下表面为矩形介质板下表面金属地贴片，下表面金属地贴片整体覆盖 介质板下表面，下表面金属地贴片上下表面均为正方形，边长为p；下表面金属 地贴片中心处蚀刻圆孔，用于穿过SMA接口的金属内芯，SMA结构的外金属 与下表面金属地贴片相连，并固定连接到金属地贴片上；SMA接口的馈电内芯 为所述金属探针，金属探针贯穿介质板上下表面，金属探针上端穿过长方形金 属贴片并与其固定连接。
在本发明的一个实施例中，单元介质板上下表面正方形的边长p在10-30mm 范围内，厚度h在1.0-9.5mm范围内；
所述等腰直角三角形的直角边长度l1在5.5-16.5mm范围内；所述等腰直角 三角形的直角边与等腰直角三角形缺口上对应直角边之间的金属贴片的宽度w1在1.5-8.5mm范围内；直角缝隙长度l2在0.5-8.1mm范围内，直角缝隙宽度w2在0.1-7.1mm范围内。
在本发明的一个具体实施例中，所述等腰直角三角形的直角边长度l1为 10.5mm；所述等腰直角三角形的直角边与等腰直角三角形缺口上对应直角边之 间的金属贴片的宽度w1为4.0mm；直角缝隙长度l2为1.9mm，直角缝隙宽度 w2为0.4mm。
在本发明的另一个实施例中，矩形金属贴片的长l3在5.2-25.2mm范围内； 矩形金属贴片的宽度w3在0.5-11.0mm范围内。
在本发明的另一个具体实施例中，矩形金属贴片的长l3为13.2mm；矩形金 属贴片的宽度w3为2.6mm。
在本发明的又一个实施例中，第一阶的正方形贴片边长a1在0.8-5.4mm范 围内；第二阶的正方形贴片长度a2在0.6-4.6mm范围内。
在本发明的又一个具体实施例中，第一阶的正方形贴片边长a1为2.4mm； 第二阶的正方形贴片长度a2为1.6mm。
还提供一种宽带多功能多比特可激励超构表面系统，将上述宽带多功能可 激励超构表面系统单元整体进行方位面旋转，旋转90°的倍数后，分别在XOY 平面内形成四种不同的单元形式，四种单元分别位于XOY平面内XY轴的四个 象限内，对四个单元进行两比特编码，第二、第一、第四、第三象限对应码字 分别为“0”、“1”、“2”、“3”；“0”码字单元是所述宽带多功能可激励超构表面系 统单元不进行旋转的结果；“1”码字单元是所述宽带多功能可激励超构表面系统 单元顺时针旋转90°之后的结果；“3”码字单元是所述宽带多功能可激励超构表 面系统单元顺时针旋转180°之后的结果；“2”码字单元是所述宽带多功能可激励超构表面系统单元顺时针旋转270°之后的结果；四个码字和对应结构可以交 换，只要保持不重复编码即可；
将码字“0”、“1”、“2”和“3”均设为m×m大小的周期，形成各自的子阵列，m 取值范围2-100；宽带多功能可激励超构表面系统由个数相同的子阵列组成，具 体阵列大小n×n，其中n是m的整数倍。
在本发明的一个实施例中，m取值范围2-10。
在本发明的一个具体实施例中，m＝3；n＝12。
本发明将超构表面设计理论与相控阵原理以及涡旋电磁波理论进行有效结 合，提出一个宽频带多功能的两比特可激励超构表面系统，该系统不仅能够宽 带辐射，实现不同波束效果，同时具有宽带散射控制的效果，其多功能的性能 拓展了超构表面的应用范围。
附图说明
图1示出本发明提出的宽带多功能可激励超构表面系统的单元结构图、两 比特宽带多功能可激励超构表面系统的“0”、“1”、“2”和“3”码子单元、两比特宽 带多功能可激励超构表面系统的布阵形式和加工样品，其中图1(a)示出宽带多功 能可激励超构表面系统单元的立体正视图，图1(b)示出其单元的立体后视图，图 1(c)示出两比特宽带多功能可激励超构表面系统的“0”码字单元，图1(d)示出两比 特宽带多功能可激励超构表面系统的“1”码字单元，图1(e)示出两比特宽带多功 能可激励超构表面系统的“3”码字单元，图1(f)示出两比特宽带多功能可激励超 构表面系统的“2”码字单元，图1(g)示出两比特宽带多功能可激励超构表面系统 的布阵形式，图1(h)示出两比特宽带多功能可激励超构表面系统的整体结构模型 图；
图2示出本发明提出的两比特宽带多功能可激励超构表面系统“0”码字单元 在入射波沿着-z方向下的频响曲线；其中图2(a)是反射幅度曲线，图2(b)是反射 相位曲线；
图3示出本发明提出的馈电激励条件下两比特宽带多功能可激励超构表面 系统的有源反射系数S11振幅曲线；
图4(a)示出本发明提出的处于测试中的两比特宽带多功能可激励超构表面 系统，图4(b)示出本发明提出的两比特宽带多功能可激励超构表面系统加工样品 的背面激励端口及部分微波连接线；
图5示出本发明提出的两比特宽带多功能可激励超构表面系统的单站RCS 减缩仿真和测试曲线，其中图5(a)示出单站RCS减缩仿真曲线，图5(b)示出单 站RCS减缩测试曲线；
图6示出本发明提出的两比特宽带多功能可激励超构表面系统在5.7GHz和8.95GHz的双站RCS散射方向图仿真和测试曲线，其中图6(a)示出xoz面散射 方向图仿真曲线，图6(b)示出xoz面归一化散射方向图测试曲线，图6(c)示出 yoz面散射方向图仿真曲线，图6(d)示出yoz面归一化散射方向图测试曲线；
图7示出本发明提出的两比特宽带多功能可激励超构表面系统仿真和测试 的反射系数曲线，其中图7(a)示出仿真的反射系数曲线，图7(b)示出测试的反射 系数曲线；
图8示出本发明提出的两比特宽带多功能可激励超构表面系统在等幅同相 激励时7.1GHz和10.7GHz的仿真和测试方向图，其中图8(a)示出仿真的E面方 向图，图8(b)示出仿真的H面方向图，图8(c)示出测试的E面方向图，图8(d) 示出测试的H面方向图；
图9示出本发明提出的两比特宽带多功能可激励超构表面系统等幅0、π/2、 π、3π/2棋盘相位激励时7.1GHz的仿真和测试方向图，其中图9(a)示出仿真的E 面和H面方向图，图9(b)示出测试的E面和H面方向图。
图10示出本发明提出的两比特宽带多功能可激励超构表面系统等幅0、π/2、 π、3π/2棋盘相位激励时7.1GHz的涡旋电磁波1和-1模态的近区电场幅度、相 位分布的仿真和测试结果图，其中图10(a)给出了模态1时仿真的涡旋电磁波近 区电场幅度和相位分布图，图10(b)给出了模态-1时仿真的涡旋电磁波近区电场 幅度和相位分布图，图10(c)给出了模态1时测试的涡旋电磁波近区电场幅度和 相位分布图，图10(d)给出了模态-1时测试的涡旋电磁波近区电场幅度和相位分 布图。
具体实施方式
本发明提出宽带多功能两比特可激励超构表面系统，如图1所示，图1(a) 示出宽带多功能可激励超构表面系统单元(以下简称“单元”)的立体正视图， 图1(b)示出单元的立体后视图。单元为扁长方体结构，其上下表面均为正方形， 包括介质板、介质板上表面金属贴片层、介质板下表面金属地贴片、穿过介质 板的金属过孔、金属探针，以及介质板下表面的SMA接口。
介质板为薄长方体结构，其上下表面均为正方形，边长为p，p也是单元的 周期长度。介质板上下表面中心微偏边沿处垂直于介质板上下表面打通孔，如 图1(a)中位于左上、右下对角线上更靠近右下角的那个圆形凸起的位置，便 于与SMA接口相连的金属探针穿过；在通孔两边各打有一排金属过孔，如图1 (c-f)中通孔两侧对称分布位置上的若干个圆形凸起，在本发明的一个具体实 施例中，一共八个过孔，金属过孔的上层接四个分形金属贴片，下层接介质板 下表面金属地贴片，金属过孔是在垂直于介质板上下表面打的通孔，且通孔的 桶状壁上镀金属。
单元介质板上下表面正方形的边长(即周期长度)p在10-30mm范围内， 优选值为20.0mm，厚度h在1.0-9.5mm范围内，优选值为4.0mm，介电常数在 2.2-15.3范围内，优选值为3.0，损耗角正切在0.0003-0.035范围内，优选值为 0.003。
上表面金属贴片层包括具有缝隙的三角形金属贴片、矩形金属贴片、四个 分形金属贴片。每一个单元上有两个具有缝隙的三角形金属贴片，分别位于介 质板上表面的左上角和右下角。以介质板上表面左上角的具有缝隙的三角形金 属贴片为例进行说明：该三角形金属贴片呈等腰直角三角形的形状，等腰直角 三角形的两条直角边与介质板的相应直角边分别平行，且保持一定间距，等腰 直角三角形的直角顶点在介质板上的投影在介质板左上、右下角顶点的连线上， 因此，等腰直角三角形的斜边与介质板右上、左下角顶点的连线平行；在三角 形金属贴片斜边上具有等腰直角三角形缺口，等腰直角三角形缺口的形状与所 述等腰直角三角形呈数学上“三角形相似”的关系，等腰直角三角形缺口的斜 边与具有缝隙的等腰直角三角形的斜边重合，等腰直角三角形缺口斜边的中心 点与所述等腰直角三角形斜边的中心点重合。在所述等腰直角三角形上还具有 一个直角缝隙，直角缝隙包括相互垂直布置的两条缝隙，两条缝隙的交点为两 条缝隙对应端顶点，该顶点在介质板上的投影在介质板左上、右下角顶点的连 线上，直角缝隙的两条边与所述等腰直角三角形的两条直角边分别平行。所述 等腰直角三角形的直角边长度为l1，所述等腰直角三角形的直角边与等腰直角三 角形缺口上对应直角边之间的金属贴片的宽度(也就是这两条直角边之间的距 离)为w1；直角缝隙的长度(也就是直角缝隙的每条缝隙的长度)为l2，宽度 为w2。
质板上表面右下角的具有缝隙的三角形金属贴片与介质板上表面左上角的 具有缝隙的三角形金属贴片关于介质板右上、左下角顶点的连线对称布置。
所述等腰直角三角形的直角边长度l1在5.5-16.5mm范围内，优选值为 10.5mm；所述等腰直角三角形的直角边与等腰直角三角形缺口上对应直角边之 间的金属贴片的宽度w1在1.5-8.5mm范围内，优选值为4.0mm；直角缝隙长度 l2在0.5-8.1mm范围内，优选值为1.9mm，直角缝隙宽度w2在0.1-7.1mm范围 内，优选值为0.4mm。通常直角缝隙的长度和宽度不能超过所述等腰直角三角 形的长度和宽度。
介质板上表面的矩形金属贴片整体呈长方形，位于介质板上表面大致中心 的位置，被具有缝隙的三角形金属贴片和四个分形金属贴片包围，矩形金属贴 片主体呈左上、右下方向(类似于从水平方向顺时针旋转了45°)，其长边平行 于介质板左上、右下角顶点的连线，短边平行于介质板右上、左下角顶点的连 线，矩形金属贴片中心在介质板上的投影与介质板上表面的中心重合。
矩形金属贴片的长(左上、右下方向的长度)l3在5.2-25.2mm范围内，优 选值为13.2mm。矩形金属贴片的宽度(右上、左下方向的宽度)w3在0.5-11.0mm 范围内，优选值为2.6mm。
金属探针穿过介质板上通孔之后，金属探针上端接矩形金属贴片且穿过矩 形金属贴片。金属探针位于长方形金属贴片宽度方向的中轴线上，因此，金属 探针也贯穿介质板上表面(和下表面)左上、右下角顶点连线上的一点；金属 探针距离矩形金属贴片的底端宽边距离(图1(a)右下方那条边)在0.6-6mm范 围内，优选值为3.2mm。金属探针的半径r1在0.1-1mm范围内，优选值为0.5mm。
四个分形金属贴片两个为一组，分布在矩形金属贴片两条长边的外侧。每 个分形金属贴片由一个边长a1的第一阶正方形贴片和4个边长a2的第二阶正方 形贴片组成，第二阶正方形贴片的一个角连接第一阶正方形贴片的四个角之一， 因此，四个第二阶正方形贴片分别连接第一阶正方形贴片的四个角，并且，四 个第二阶正方形贴片的各边分别与第一阶正方形贴片的相应边平行。四个分形 金属贴片在介质板上关于左上、右下角连线对称分布。
第一阶的正方形贴片边长a1在0.8-5.4mm范围内，优选值为2.4mm；第二 阶的正方形贴片长度a2在0.6-4.6mm范围内，优选值为1.6mm。穿过介质板的 金属过孔上端与靠近矩形金属贴片的8个第二阶正方形贴片相连通，且穿过这8 个贴片，金属过孔下端接金属地贴片；8个金属过孔的中心与靠近矩形金属贴片 的第二阶正方形贴片中心重合；金属过孔的半径取值在0.1-2.3mm范围内，优选 值为0.3mm。
单元下表面为矩形介质板下表面金属地贴片，下表面金属地贴片整体覆盖 介质板下表面，下表面金属地贴片上下表面均为正方形，边长为p。下表面金属 地贴片中心处蚀刻圆孔(保证SMA结构的金属内芯不连接到金属地贴片产生短 路)，用于穿过SMA接口的金属内芯，SMA结构的外金属与下表面金属地贴片 相连，并焊接在金属地贴片上。SMA接口的馈电内芯为所述金属探针，金属探 针贯穿介质板上下表面，金属探针上端穿过长方形金属贴片，并通过例如焊接 方式相连接。
在圆孔周围有两排沿着左上-右下方向的两排金属过孔，每排各4个，一 共8个。
宽带多功能可激励超构表面系统单元的上下表面所有金属贴片的厚度均在0.02-0.1mm范围内，优选值为0.036mm。
将上述单元整体进行方位面旋转(例如，单元平行于水平面放置时，水平旋 转)90°后(图中是顺时针转动90°，但是逆时针转动90°也可以)，分别在XOY平 面内形成四种不同的单元形式，如图1(c)-(f)所示，四种单元分别位于XOY 平面内XY轴的四个象限内，对四个单元进行两比特编码，第二、第一、第四、 第三象限对应码字分别为“0”、“1”、“2”、“3”。图1(c)示出两比特宽带多功能可 激励超构表面的“0”码字单元，这是如图1(a)所示单元不进行旋转的结果； 图1(d)示出“1”码字单元，这是如图1(a)所示单元顺时针旋转90°之后的结果； 图1(e)示出“3”码字单元，这是如图1(a)所示单元顺时针旋转180°之后的结 果；图1(f)示出“2”码字单元这是如图1(a)所示单元顺时针旋转270°之后的 结果。实际上，四个码字和对应结构可以交换，只要保持不重复编码即可。
为实现电磁波散射的调控特性，将码字“0”、“1”、“2”和“3”均设为m×m大 小的周期，形成各自的子阵列，m可选2-100，优选2-10，最优选值为3。宽带 多功能可激励超构表面系统由个数相同的子阵列组成，具体阵列大小n×n，其中 n是m的整数倍，n可选4-400，优选值为12。图1(e)示出多功能可激励超构表 面系统的布阵形式，按照从左往右、自上而下的顺序，阵列的具体码字序列为 “000/111/000/111/000/111/000/111/000/111/000/111/333/222/333/222/333/222/333/2 22/333/222/333/222/000/111/000/111/000/111/000/111/000/111/000/111/333/222/333 /222/333/222/333/222/333/222/333/222”。例如，自上而下，先第一行，从左往右 码字序列为“000/111/000/111”，再第二行从左往右码字序列为“000/111/000/111 /000/111”。
借助CST 2019软件中的主从边界和Flouquet端口进行模拟仿真，入射波沿 着-z方向垂直入射，图2(a)、(b)分别给出宽带多功能可激励超构表面系统单元 的反射幅度和反射相位频响曲线。从图2(a)可以看出，同极化的-10dB的反射幅 度主要频带为4.7-6.1GHz，相对带宽达到了26％，同时在4.7-6.1GHz范围内交 叉极化的幅度约为0dB，即在该频段范围内反射电磁波极化转化为了与入射波正 交的交叉极化电磁波。从图2(b)的反射相位曲线可以看出，宽带多功能可激励超 构表面系统单元在4.7-6.1GHz范围的交叉极化反射相位从180°下降到了-180°。
图3给出宽带多功能可激励超构表面系统单元在馈电激励条件下的有源反 射系数S11的振幅曲线，可以看出该单元-10dB的带宽为6.4-7.5GHz，绝对带宽 1.1GHz，说明在该频段范围内可激励超构表面系统能够处于良好的阻抗匹配状 态，该单元相对带宽15.8％，比传统5％的相对带宽有了明显拓展。
制作12×12(即n＝12)的宽带多功能可激励超构表面系统实物样件(如图4 所示)，整个宽带多功能可激励超构表面系统由12×12的可激励超构表面阵列以 及其微波连接线组成，通过微波连接线可以连接移相器实现不同的辐射波束。
用矢量网络分析仪和两个工作在2-18GHz的宽带喇叭天线，采用空间波法 测量上述宽带多功能可激励超构表面系统和同等面积大小金属平板的单站 RCS，图5(a)、(b)分别给出宽带多功能可激励超构表面系统的单站RCS减缩曲 线仿真结果和测试结果；从图中测试结果可知，宽带多功能可激励超构表面系 统对不同极化的电磁波均有较好的RCS减缩效果，在4-12GHz范围均有单站RCS减缩效果，且10dB的单站RCS减缩覆盖4.6-5.9GHz，相对带宽25％，最 大减缩量超过了25dB，测试结果和仿真结果吻合较好。
图6(a)、(b)分别给出宽带多功能可激励超构表面系统在5.7GHz和8.95GHz 的xoz面双站RCS散射方向图仿真曲线和归一化散射方向图测试曲线，图6(c)、 (d)分别给出宽带多功能可激励超构表面系统在5.7GHz和8.95GHz的yoz面双站 RCS散射方向图仿真曲线和归一化散射方向图测试曲线。从图中可以看出，仿 真结果和测试结果吻合较好，宽带多功能可激励超构表面系统能够有效将垂直 方向的散射波束打散到其它方向上，垂直入射方向的散射波束得到了有效控制， RCS减缩量超过了25dB。
图7(a)和(b)分别给出宽带多功能可激励超构表面系统辐射仿真和测试的反 射系数曲线，从图中测试结果可知宽带多功能可激励超构表面系统的-10dB覆盖 带宽为6.32-7.46GHz，仿真与测试吻合较好。
图8给出了宽带多功能可激励超构表面系统在等幅同相激励时7.1GHz和 10.7GHz的仿真和测试辐射方向图，其中图8(a)和(b)给出了仿真的E面和H面 方向图，图8(c)和(d)给出了测试的E面和H面方向图；通过图8可知，宽带多 功能可激励超构表面系统在等幅同相工作时就能够实现四波束的辐射，仿真与 测试的结果吻合较好。
图9示给出宽带多功能可激励超构表面系统等幅0、π/2、π、3π/2棋盘相位 顺时针和逆时针激励时7.1GHz的仿真和测试涡旋电磁波方向图，其中图9(a)给 出了顺时针相位增加的模态1时仿真(左)和测试(右)的涡旋电磁波E面和H面方 向图，图9(b)给出逆时针相位增加的模态-1时仿真(左)和测试(右)的涡旋电磁波 E面和H面方向图；通过图9可知，仿真和测试吻合较好，表明宽带多功能可 激励超构表面系统可以实现不同模态的涡旋电磁波辐射效果。
图10示给出宽带多功能可激励超构表面系统等幅0、π/2、π、3π/2棋盘相 位顺时针和逆时针激励时7.1GHz仿真与测试的近区电场幅度和相位分布图，其 中图10(a)给出了模态1时涡旋电磁波仿真的近区电场幅度(左)和相位(右)分布 图，图10(b)给出了模态-1时涡旋电磁波仿真的近区电场幅度(左)和相位(右)分布 图，图10(c)给出了模态1时涡旋电磁波测试的近区电场幅度(左)和相位(右)分布 图，图10(d)给出了模态-1时涡旋电磁波测试的近区电场幅度(左)和相位(右)分布 图；通过图10可知，仿真和测试吻合较好，表明宽带多功能可激励超构表面系 统可以实现不同模态的涡旋电磁波。
本发明的宽带多功能可激励超构表面系统，通过将超构表面设计理论、相 控阵原理、涡旋电磁波理论以及天线宽带设计方法有效结合，创新提出了宽带 多功能可激励超构表面系统，并通过宽带多功能可激励超构表面系统的设计， 实现了超构表面的多波束、涡旋电磁波辐射等功能，同时有效控制了散射波束， 减缩了RCS；本发明在无线射频系统领域具有重要的工程应用价值。

Claims (10)

1.宽带多功能可激励超构表面系统单元，其特征在于，单元为扁长方体结构，其上下表面均为正方形，包括介质板、介质板上表面金属贴片层、介质板下表面金属地贴片、穿过介质板的金属过孔、金属探针，以及介质板下表面的SMA接口；其中
介质板为长方体结构，其上下表面均为正方形，边长为p，p也是单元的周期长度；介质板上下表面中心微偏边沿处垂直于介质板上下表面打通孔，通孔位于左上、右下对角线上靠近右下角处，便于与SMA接口相连的金属探针穿过；在通孔两边各打有一排金属过孔，金属过孔位于通孔两侧对称分布的位置处，数量为偶数个，金属过孔的上层接四个分形金属贴片，下层接介质板下表面金属地贴片，金属过孔是在垂直于介质板上下表面打的通孔，且通孔的桶状壁上镀金属；
上表面金属贴片层包括具有缝隙的三角形金属贴片、矩形金属贴片、四个分形金属贴片；每一个单元上有两个具有缝隙的三角形金属贴片，分别位于介质板上表面的左上角和右下角；介质板上表面左上角的具有缝隙的三角形金属贴片具体为：该三角形金属贴片呈等腰直角三角形的形状，等腰直角三角形的两条直角边与介质板的相应直角边分别平行，且保持一定间距，等腰直角三角形的直角顶点在介质板上的投影在介质板左上、右下角顶点的连线上，因此，等腰直角三角形的斜边与介质板右上、左下角顶点的连线平行；在三角形金属贴片斜边上具有等腰直角三角形缺口，等腰直角三角形缺口的形状与所述等腰直角三角形呈数学上“三角形相似”的关系，等腰直角三角形缺口的斜边与具有缝隙的等腰直角三角形的斜边重合，等腰直角三角形缺口斜边的中心点与所述等腰直角三角形斜边的中心点重合；在所述等腰直角三角形上还具有一个直角缝隙，直角缝隙包括相互垂直布置的两条缝隙，两条缝隙的交点为两条缝隙对应端顶点，该顶点在介质板上的投影在介质板左上、右下角顶点的连线上，直角缝隙的两条边与所述等腰直角三角形的两条直角边分别平行；直角缝隙的长度和宽度不能超过所述等腰直角三角形的长度和宽度；
质板上表面右下角的具有缝隙的三角形金属贴片与介质板上表面左上角的具有缝隙的三角形金属贴片关于介质板右上、左下角顶点的连线对称布置；
介质板上表面的矩形金属贴片整体呈长方形，位于介质板上表面中心的位置，被具有缝隙的三角形金属贴片和四个分形金属贴片包围，矩形金属贴片主体呈左上、右下方向，其长边平行于介质板左上、右下角顶点的连线，短边平行于介质板右上、左下角顶点的连线，矩形金属贴片中心在介质板上的投影与介质板上表面的中心重合；
金属探针穿过介质板上通孔之后，金属探针上端接矩形金属贴片且穿过矩形金属贴片；金属探针位于长方形金属贴片宽度方向的中轴线上，因此，金属探针也贯穿介质板上表面及下表面各自的左上、右下角顶点连线上的一点；
四个分形金属贴片两个为一组，分布在矩形金属贴片两条长边的外侧；每个分形金属贴片由一个边长a1的第一阶正方形贴片和4个边长a2的第二阶正方形贴片组成，第二阶正方形贴片的一个角连接第一阶正方形贴片的四个角之一，因此，四个第二阶正方形贴片分别连接第一阶正方形贴片的四个角，并且，四个第二阶正方形贴片的各边分别与第一阶正方形贴片的相应边平行；四个分形金属贴片在介质板上关于左上、右下角连线对称分布；
穿过介质板的金属过孔上端与靠近矩形金属贴片的数个第二阶正方形贴片相连通，且穿过这数个贴片，金属过孔下端接金属地贴片；
单元下表面为矩形介质板下表面金属地贴片，下表面金属地贴片整体覆盖介质板下表面，下表面金属地贴片上下表面均为正方形，边长为p；下表面金属地贴片中心处蚀刻圆孔，用于穿过SMA接口的金属内芯，SMA结构的外金属与下表面金属地贴片相连，并固定连接到金属地贴片上；SMA接口的馈电内芯为所述金属探针，金属探针贯穿介质板上下表面，金属探针上端穿过长方形金属贴片并与其固定连接。
2.如权利要求1所述的宽带多功能可激励超构表面系统单元，其特征在于，单元介质板上下表面正方形的边长p在10-30mm范围内，厚度h在1.0-9.5mm范围内；
所述等腰直角三角形的直角边长度l1在5.5-16.5mm范围内；所述等腰直角三角形的直角边与等腰直角三角形缺口上对应直角边之间的金属贴片的宽度w1在1.5-8.5mm范围内；直角缝隙长度l2在0.5-8.1mm范围内，直角缝隙宽度w2在0.1-7.1mm范围内。
3.如权利要求2所述的宽带多功能可激励超构表面系统单元，其特征在于，所述等腰直角三角形的直角边长度l1为10.5mm；所述等腰直角三角形的直角边与等腰直角三角形缺口上对应直角边之间的金属贴片的宽度w1为4.0mm；直角缝隙长度l2为1.9mm，直角缝隙宽度w2为0.4mm。
4.如权利要求1所述的宽带多功能可激励超构表面系统单元，其特征在于，矩形金属贴片的长l3在5.2-25.2mm范围内；矩形金属贴片的宽度w3在0.5-11.0mm范围内。
5.如权利要求4所述的宽带多功能可激励超构表面系统单元，其特征在于，矩形金属贴片的长l3为13.2mm；矩形金属贴片的宽度w3为2.6mm。
6.如权利要求1所述的宽带多功能可激励超构表面系统单元，其特征在于，第一阶的正方形贴片边长a1在0.8-5.4mm范围内；第二阶的正方形贴片长度a2在0.6-4.6mm范围内。
7.如权利要求6所述的宽带多功能可激励超构表面系统单元，其特征在于，第一阶的正方形贴片边长a1为2.4mm；第二阶的正方形贴片长度a2为1.6mm。
8.宽带多功能多比特可激励超构表面系统，其特征在于，将如权利要求1-7任一项所述的宽带多功能可激励超构表面系统单元整体进行方位面旋转，旋转90°的倍数后，分别在XOY平面内形成四种不同的单元形式，四种单元分别位于XOY平面内XY轴的四个象限内，对四个单元进行两比特编码，第二、第一、第四、第三象限对应码字分别为“0”、“1”、“2”、“3”；“0”码字单元是所述宽带多功能可激励超构表面系统单元不进行旋转的结果；“1”码字单元是所述宽带多功能可激励超构表面系统单元顺时针旋转90°之后的结果；“3”码字单元是所述宽带多功能可激励超构表面系统单元顺时针旋转180°之后的结果；“2”码字单元是所述宽带多功能可激励超构表面系统单元顺时针旋转270°之后的结果；四个码字和对应结构可以交换，只要保持不重复编码即可；
将码字“0”、“1”、“2”和“3”均设为m×m大小的周期，形成各自的子阵列，m取值范围2-100；宽带多功能可激励超构表面系统由个数相同的子阵列组成，具体阵列大小n×n，其中n是m的整数倍。
9.如权利要求8所述的宽带多功能多比特可激励超构表面系统，其特征在于，m取值范围2-10。
10.如权利要求9所述的宽带多功能多比特可激励超构表面系统，其特征在于，m＝3；n＝12。
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