CN116666990B - 可重构超表面吸波器的特征模式设计方法及超表面吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重构超表面吸波器的特征模式设计方法及超表面吸波器，具体为：基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型；计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗以抑制散射的功率，得到阻抗加载结构；计算阻抗加载结构的模式行为，对高阶模式进行抑制或者吸收；评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收；使用全波模拟来验证和优化，确定可重构超表面吸波器的目标结构。本发明以应用需求为导向，实现了可重构超表面吸波器的高效结构设计。
Description
技术领域
本发明属于电磁技术领域，特别是一种可重构超表面吸波器的特征模式设计方法及超表面吸波器。
背景技术
超表面(metasurface)也称为超构表面，是一种二维超构材料。相比传统的三维超构材料，超表面具有剖面低、易加工、损耗小的优点，在电磁吸波器的设计中被广泛应用。近年来，超表面的研究逐渐向多功能、可重构方向发展，它可以基于力、热、水流、光、电等方案实现可调控，其中基于PIN二极管的电可调器件的可重构方式，具有时间响应快、调控准确、可编程等优势而被广泛使用。幅相特性的调整使得超表面在电磁领域具有广泛的应用前景，面向超表面设计方法的开发也越来越受到关注。
目前超表面设计方法主要有三种类型：基于优化算法的正向优化技术、基于深度学习的反向设计方法和等效电路模型(Equivalent Circuit Model, ECM)方法。对于前两种设计方法，正向优化技术很难达到预期的设计效率，而且容易陷入局部最小值。反向设计方法在解决逆向建模问题上表现出非凡的潜力，它有效地避免了仿真分析的过程和局部最优问题。但是，它们很难为设计提供准确和可靠的指导。在过去的几年里，为了得出简单而准确的频率行为的分析表达式，人们将大量的精力投入到超表面的ECM分析中。然而，准确的ECM分析在描述复杂的超表面结构时有很大的困难，同时失去了简单和高效的特点。
特征模分析(Characteristic Mode Analysis, CMA)作为一种适合于分析开放电磁系统的主动模态理论，由于其为理解结构的固有电磁特性提供了一个可靠的方法，基于CMA的各种开放电磁系统的分析和设计方法，在电磁工程界得到了越来越多的关注。文献1(中国专利CN201910410937.9，公开日2019-08-06)提出了一种基于特征模理论的低RCS超表面的模式转化方法，利用遗传算法实现宽带低RCS超表面的自动化设计，但是该方法需要较高的计算成本。文献2(D. Zha, Z. Cao, R. Li, F. He, K. Si, J. Dong, L. Miao,S. Bie, and J. Jiang, “A physical insight into reconfigurable frequencyselective surface using characteristic mode analysis,” IEEE Antennas WirelessPropag. Lett., vol. 20, no. 10, pp. 1863-1867, Oct. 2021.)利用CMA设计了一款可重构频率选择表面。研究发现，传输和反射状态之间的隔离主要是由基本模式的辐射场决定的，然而到目前为止，提出的大多数基于CMA的工作缺乏一个理论模型，因此无法明确指导加强元表面吸收器的设计过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可重构超表面吸波器的特征模式设计方法及超表面吸波器，根据制定的特征模式行为与吸收特性的理论内在联系，指导单元结构的吸收性能优化，最终确定可重构超表面结构。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，包括以下步骤：
步骤1、基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型；
步骤2、计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗以抑制散射的功率，得到阻抗加载结构；
步骤3、计算阻抗加载结构的模式行为，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在则对高阶模式进行抑制或者吸收；
步骤4、利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收；
步骤5、使用全波模拟来验证和优化，最终确定可重构超表面吸波器的目标结构。
一种可重构超表面吸波器的特征模式设计装置，该装置用于实现所述的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，所述装置包括理论模型制定模块、阻抗加载结构确定模块、高阶模式处理模块、阻抗优化模块、验证优化模块，其中：
理论模型制定模块，基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型；
阻抗加载结构确定模块，计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗以抑制散射的功率，得到阻抗加载结构；
高阶模式处理模块，计算阻抗加载结构的模式行为，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在则对高阶模式进行抑制或者吸收；
阻抗优化模块，利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收；
验证优化模块，使用全波模拟来验证和优化，最终确定可重构超表面吸波器的目标结构。
一种超表面吸波器，该超表面吸波器的结构参数根据所述的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法确定。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）基于TCM实现可重构超表面吸波器的宽带吸收特性，通过CMA，能够直观地看出结构优化设计的思路，并且能够清晰地揭示出所设计可重构超表面吸波器的工作模式与机理；（2）制定的关联特征模式行为与吸收特性的理论模型，能够明确地增强指导可重构超表面吸收器的设计过程；（3）提供一种通用的可重构超表面吸波器设计流程，按照该设计流程，无需依赖大量、重复的全波仿真即可实现可重构超表面吸波器设计，提高了设计效率。
附图说明
图1是本发明步骤1中分层媒质空间中金属贴片的电磁散射系统示意图。
图2是本发明步骤2中初始结构示意图。
图3是图2初始结构的模式分析结果图。
图4是图3中显著模式对应的特征电流和远场方向图。
图5是本发明步骤3中阻抗加载的模式分析结果图。
图6是图5中显著模式对应的特征电流和远场方向图。
图7是对图5中高阶模式处理后的模式分析结果图。
图8是本发明步骤4中根据理论模型指导评估的优化后的宽带吸收特性图。
图9是本发明步骤4中最终确定的目标结构示意图。
图10是图9中目标结构相应的全波仿真宽带吸收结果图。
图11是本发明可重构超表面吸波器的特征模式设计方法的流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种可重构超表面吸波器的特征模式设计方法及超表面吸波器。该方法内容主要包括：首先基于特征模理论(Theory of Characteristic Mode, TCM)分解结构的散射为不同正交特征模(Characteristic Modes, CMs)叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型；之后计算初始结构在目标频段内的模态行为，并绘制出相应的模态远场模式和模态电流；根据模态行为，找到对散射场产生贡献的工作模式；最后在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗，以抑制散射的功率。利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，指导元件的吸收性能优化；使用全波模拟来验证和最终确定可重构超表面结构设计。
本发明提供一种可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，包括以下步骤：
步骤1、基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型；
步骤2、计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗以抑制散射的功率，得到阻抗加载结构；
步骤3、计算阻抗加载结构的模式行为，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在则对高阶模式进行抑制或者吸收；
高阶模式是指该模式对应的模式权重系数不可忽略，对散射场具有一定的贡献，然而其特征电流分布集中区域不在阻抗加载位置处。
步骤4、利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收；
步骤5、使用全波模拟来验证和优化，最终确定可重构超表面吸波器的目标结构。
作为一种具体示例，步骤1中基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型，具体如下：
步骤1.1、对于接地超表面，作为一个平面分层结构，接地介质层的横向延伸被认为是无限的；在平面波的照射下，包围一个单元的半空间区域内存在三个场，即由外加激励产生的入射场/>、由接地介质层和周围单元金属贴片产生的环境场/>和由金属贴片表面产生的散射场/>；电磁场/>是电场强度/>和磁场强度/>的简写，即/>，上标inc、env、sca分别表示入射场、环境场、散射场；/>，/>，，/>、/>、/>分别表示入射场、环境场、散射场的电场强度，/>、、/>分别表示入射场、环境场、散射场的磁场强度；
根据能量守恒定律，在包围的无限远闭合曲面/>内存在以下坡印廷定理
(1)
其中总电磁场是/>的总和，/>是总电场强度、/>是总磁场强度；/>是电导率，/>是虚数，/>是角频率，/>是真空磁导率，/>是真空介电常数；是自变量/>的增量、/>表示半空间区域/>内做内积；
考虑到金属表面上电场的切向分量的连续性条件为
(2)
其中是金属表面的单位外向法向量，/>表示外部电场强度。
坡印廷定理(1)等效地转化为以下替代形式
(3)
其中表示外部输入功率，/>表示系统输出功率，/>表示金属表面电流密度/>的复共轭，/>是电导率，/>是虚数，/>是角频率，/>是真空磁导率，/>是真空介电常数；
式(3)的物理解释为：在时间间隔内，的实部表示被金属导体捕获的功率，其中一部分为被重反射的功率/>，一部分为被耗散的功率/>；/>的虚部表示被接地介质板反射的功率/>；
步骤1.2、由于接地超表面是平面分层结构，式(2)的积分方程写为
(4)
其中是由感应电流/>产生的线性算子，/>表示正切分量；
显然，阻抗特性隐含在中，所以阻抗算子/>被定义为
(5)
其中和/>分别代表阻抗算子/>的实部和虚部。
对于具有阻抗负载的接地超表面来说，其中/>、/>分别表示负载阻抗/>的电阻和电抗，将标准MPIE改写为/>，以说明/>对特征解的作用，通过求解矩量法阻抗矩阵/>的特征值来计算结构的CMs
(6)
其中、/>分别表示矩量法阻抗矩阵/>的厄米虚部和厄米实部，/>、/>分别表示负载阻抗矩阵/>的虚部和实部，/>是第/>个CM的特征值，/>是第/>个CM的特征电流；
令使特征电流/>规范正交化；因此金属表面上的总电流/>分解为特征电流的线性叠加/>，其中模态权重系数/>用于衡量每个/>对总电流/>的贡献大小；特征模的正交性用于将每个元素的输入功率/>分解为模式贡献之和
(7)
其中表示矩量法阻抗矩阵，/>表示负载阻抗矩阵，/>、/>分别表示第/>和个CMs的模式权重系数，/>表示/>的共轭；/>、/>分别表示第/>和/>个CMs的特征电流，/>表示/>的复共轭，/>表示第/>个CM的特征值；/>表示克罗内克函数，当/>时，否则/>；
步骤1.3、由式(3)和式(7)知，映射特征模态行为和吸收特性关系的理论模型写为
(8)
其中热转换效率近似第/>个CM捕获的功率全部被耗散，/>表示反射特性，/>表示吸收率，/>表示第/>个CM的模式权重系数，N表示选取的CM个数；
根据式(8)，从两个方面改善结构的吸收性能：
(i)提高CM的模式重要性(Mode Significance, MS)，从而实现输入阻抗与自由空间空气阻抗/>的阻抗匹配；
(ii)在电流分布集中的区域加载匹配的阻抗来提高热转换效率。
作为一种具体示例，步骤2中计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗以抑制散射的功率，具体如下：
步骤2.1、利用广义特征方程对初始结构进行CMA获得特征解，进而获得初始结构的模式重要性/>以及模式权重系数/>，其中、/>分别表示矩量法阻抗矩阵/>的厄米虚部和厄米实部，/>是第/>个CM的特征值，/>是第/>个CM的特征电流, />是虚数，/>表示外部电场强度，/>表示/>的复共轭；/>是第n个CM的模式重要性；
选择目标频段内的N个模式，计算上述N个模式的特征电流，将金属表面上的总电流/>分解为N个特征电流的线性叠加，由表面特征电流分布计算得到远场方向图
(9)
其中表示观测点金属表面散射电场，/>是自由空间传播常数，/>是自由空间波阻抗，/>是观测点位置矢量，/>是源点位置矢量，/>是观测点与源点之间距离，/>是第n个CM的模式权重系数，/>是源点处第n个CM的特征电流密度，/>表示金属表面区域；
根据式(9)找到对散射电场产生主要贡献的工作模式，该模式对应的模式权重系数远大于其它模式对应的模式权重系数；
步骤2.2、根据计算的特征电流分布，在工作模式电流分布最集中的地方加载阻抗，使工作模式的大部分能量转换成热损耗功率耗散，不再向自由空间散射。
作为一种具体示例，步骤3中计算阻抗加载结构的模式行为，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在则对高阶模式进行抑制或者吸收，具体如下：
利用式(6)对阻抗加载结构进行CMA获得特征解，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在，从以下两种方式中选择任一来处理高阶模式：
第一种方法：通过在高阶模式特征电流分布集中区域加载电阻，使高阶模式的散射功率转化为热能耗散；
第二种方法：通过增大高阶模式特征值的绝对值来抑制目标频段中高阶模式的MS；当高阶模式的特征值为负数时，选择在高阶模式的特征电流分布集中区域加载电容；当高阶模式的特征值为正数时，选择在高阶模式的特征电流分布集中区域加载电感。
作为一种具体示例，步骤4中利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收，具体如下：
设定目标频段内的吸收带宽为目标函数
(10)
其中是指目标频段中心频率，/>和/>是根据连续范围内/>确定的频率最小值和最大值；
利用制定的理论模型评估目标结构的吸收特性，指导单元结构的吸收性能优化，满足期望宽带吸收。
作为一种具体示例，步骤5中使用全波模拟来验证和优化，最终确定可重构超表面吸波器的目标结构，具体为：
由于在CM分析中采用了简化的方法，需要对目标结构的几何参数进行微调以满足最佳吸收性能，输出最终的目标结构。
本发明还提供一种可重构超表面吸波器的特征模式设计装置，该装置用于实现可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，所述装置包括理论模型制定模块、阻抗加载结构确定模块、高阶模式处理模块、阻抗优化模块、验证优化模块，其中：
理论模型制定模块，基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型；
阻抗加载结构确定模块，计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗以抑制散射的功率，得到阻抗加载结构；
高阶模式处理模块，计算阻抗加载结构的模式行为，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在则对高阶模式进行抑制或者吸收；
阻抗优化模块，利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收；
验证优化模块，使用全波模拟来验证和优化，最终确定可重构超表面吸波器的目标结构。
本发明还提供一种超表面吸波器，该超表面吸波器的结构参数根据所述的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法确定。
本发明方法以CMA为理论支撑，基于功能守恒建立超表面单元结构特征模式行为与吸收特性的理论模型，基于模式调控从物理角度深入解释可重构超表面的散射调控机理，以应用需求为导向，可实现可重构超表面的高效结构设计。
下面结合实施例对本发明提出的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法作进一步详细描述。实施例的示例在附图中示出。通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例一种可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，包括以下步骤：
步骤1、基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型，具体如下：
步骤1.1、对于接地超表面，作为一个平面分层结构，其接地介质层的横向延伸被认为是无限的。在平面波的照射下，在包围一个单元的半空间区域内存在三个场，即由外加激励产生的入射场/>、由接地介质层和周围单元金属贴片产生的环境场/>和由金属贴片表面产生的散射场/>，如图1所示，这里的电磁场/>是电场强度/>和磁场强度/>的简写，即/>，上标inc、env、sca分别表示入射场、环境场、散射场；/>，，/>，/>、/>、/>分别表示入射场、环境场、散射场的电场强度，/>、/>、/>分别表示入射场、环境场、散射场的磁场强度。
根据能量守恒定律，在包围的无限远闭合曲面/>内存在以下坡印廷定理
(11)
其中总电磁场是/>的总和，/>是总电场强度、/>是总磁场强度；/>是电导率，/>是虚数，/>是角频率，/>是真空磁导率，/>是真空介电常数；是自变量/>的增量、/>表示半空间区域/>内做内积。
考虑到金属表面上电场的切向分量的连续性条件
(12)
其中是金属表面的单位外向法向量，/>表示外部电场强度。
坡印廷定理(11)可以等效地转化为以下替代形式
(13)
其中表示外部输入功率，/>表示系统输出功率，/>表示金属表面电流密度/>的复共轭，/>是电导率，/>是虚数，/>是角频率，/>是真空磁导率，/>是真空介电常数。
式(3)的物理解释为：在时间间隔内，的实部表示被金属导体捕获的功率，其中一部分为被重反射的功率/>，一部分为被耗散的功率/>；/>的虚部表示被接地介质板反射的功率/>。
步骤1.2、由于接地超表面是平面分层结构，式(12)的混合势积分方程可以写为
(14)
其中是由感应电流/>产生的线性算子，/>表示正切分量。
显然，阻抗特性隐含在中，所以阻抗算子/>被定义为
(15)
其中和/>分别代表阻抗算子/>的实部和虚部。
对于具有阻抗负载的接地超表面来说，其中/>、/>分别表示负载阻抗/>的电阻和电抗，将标准MPIE被改写为/>，以说明/>对特征解的作用，通过求解矩量法阻抗矩阵/>的特征值问题来计算结构的CMs
(16)
其中、/>分别表示矩量法阻抗矩阵/>的厄米虚部和厄米实部，/>、/>分别表示负载阻抗矩阵/>的虚部和实部，/>是第/>个CM的特征值，/>是第/>个CM的特征电流。
令使特征电流/>规范正交化；因此金属表面上的总电流/>分解为特征电流的线性叠加/>，其中模态权重系数/>用于衡量每个/>对总电流/>的贡献大小；特征模的正交性用于将每个元素的输入功率/>分解为模式贡献之和
(17)
其中表示金属表面电流密度/>的复共轭，/>表示矩量法阻抗矩阵，/>表示负载阻抗矩阵，/>、/>分别表示第/>和/>个CMs的模式权重系数，/>表示/>的共轭；/>、/>分别表示第/>和/>个CMs的特征电流，/>表示/>的复共轭，/>表示第/>个CM的特征值；/>表示克罗内克函数，当/>时/>，否则/>。
步骤1.3，由公式(13)和(17)可知，映射特征模态行为和反射特性关系的理论模型可以写为
(18)
其中热转换效率近似第/>个CM捕获的功率全部被耗散，/>表示反射特性，/>表示吸收率，/>表示第/>个CM的模式权重系数，N表示选取的CM个数。
根据式(18)，从两个方面改善结构的吸收性能：
(i)提高CM的MS，从而实现输入阻抗与自由空间空气阻抗/>的阻抗匹配；
(ii)在电流分布集中的区域加载匹配的阻抗来提高热转换效率。
步骤2、计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗，抑制其散射的功率，具体如下：
步骤2.1、利用广义特征方程对初始结构进行CMA获得特征解。在本实施例中选择的初始结构如图2所示，包括一个蝶形金属贴片1印制在矩形介质基板2上。介质基板2的厚度为3.8mm，介电常数为3。介质基板的下方为金属地板3，金属地板3与介质基板的大小相同，均为8mm。
计算该初始结构的MS曲线如图3所示。可以看到在4-12GHz的目标频段内有3个模式的模式重要性，是潜在的工作模式。计算上述3个模式的特征电流如图4所示，其中模式1和模式2的特征电流在金属表面分布均同向，即能形成宽边辐射场。模式3的特征电流具有流向相反的部分，因此能量会向对角线方向分散，形成裂口辐射场。将金属表面上的总电流/>分解为3个特征电流的线性叠加，由表面特征电流分布计算得到远场方向图
(19)
其中表示观测点金属表面散射电场，/>是自由空间传播常数，/>是自由空间波阻抗，/>是观测点位置矢量，/>是源点位置矢量，/>是观测点与源点之间距离，/>是第n个CM的模式权重系数，/>是源点处第n个CM的特征电流密度，/>表示金属表面区域。
根据式(19)可以发现在本实施例中以水平极化平面波作为入射源，模式1对散射电场产生主要贡献，是工作模式。
步骤2.2、根据计算的特征电流分布，在工作模式电流分布最集中的地方加载阻抗，使工作模式的大部分能量转换成热损耗功率耗散，不再向自由空间散射。在本实施例中，阻抗加载位置为图4所示实线方框范围内模式1的特征电流分布集中区域。加载阻抗通过PIN二极管来实现，在截止状态等效为电容串联电感，在导通状态等效为可变电阻串联电感。
步骤3、计算阻抗加载结构的模式行为，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在则对高阶模式进行抑制或者吸收，具体如下：
利用公式(16)对阻抗加载结构进行CMA获得特征解，计算该阻抗加载结构的模式重要性曲线和模式权重系数如图5所示。根据式(19)可以发现在本实施例中模式4作为高阶模式会破坏阻抗加载结构的吸收特性。
为了改善吸收性能，有两种选择来处理高阶模式：
(i)第一种方法通过在高阶模式特征电流分布集中区域加载电阻，使高阶模式散射功率转化为热能耗散；
(ii)第二种方法：通过增大高阶模式特征值的绝对值来抑制目标频段中高阶模式的MS；当高阶模式的特征值为负数时，选择在高阶模式的特征电流分布集中区域加载电容；当高阶模式的特征值为正数时，选择在高阶模式的特征电流分布集中区域加载电感。
在本实施例中，选择第二种方法来抑制模式4，由于模式4的特征值为负数，因此选择在其特征电流分布集中区域加载电容，如图6所示短点线方框内金属部分区域。
步骤4、利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收，具体如下：
设定目标频段内的吸收带宽为目标函数
(20)
其中是指目标频段中心频率，/>和/>是根据连续范围内/>确定的频率最小值和最大值；
利用制定的理论模型评估阻抗目标结构的吸收特性，指导单元结构的吸收性能优化，满足期望宽带吸收。在本实施例中，优化后的阻抗加载结构的模式重要性曲线和模式权重系数如图7所示，评估的吸收特性如图8所示，其中，/>，/>。
步骤4、使用全波模拟来验证和优化，最终确定可重构超表面吸波器的目标结构，具体如下：
由于在CM分析中采用了简化的方法，需要对目标结构的几何参数进行微调以满足最佳吸收性能，输出最终的目标结构。在本实施例中，图9为最终确定的目标结构，包括蝶形金属贴片1、介质基板2、金属地板3、PIN二极管4、电容5。PIN二极管4和电容5按照前面所述分析被放置在相应位置，增加中间金属方片用于考虑到元器件的焊接，参数微调后的获得的最优吸收特性如图10所示。至此利用本发明方法，作为实施例，实现了一个宽带可重构超表面吸波器，整体设计流程如图11所示。
综上所述，本发明基于TCM实现可重构超表面吸波器的宽带吸收特性，通过CMA，能够直观地看出结构优化设计的思路，并且能够清晰地揭示出所设计可重构超表面吸波器的工作模式与机理；本发明制定的关联特征模式行为与吸收特性的理论模型，能够明确地增强指导可重构超表面吸收器的设计过程；本发明提供一种通用的可重构超表面吸波器设计流程，按照该设计流程，无需依赖大量、重复的全波仿真即可实现可重构超表面吸波器设计，提高了设计效率。
Claims (7)
1.一种可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型；
步骤2、计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗以抑制散射的功率，得到阻抗加载结构；
步骤3、计算阻抗加载结构的模式行为，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在则对高阶模式进行抑制或者吸收；
步骤4、利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收；
步骤5、使用全波模拟来验证和优化，最终确定可重构超表面吸波器的目标结构；
步骤1中基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型，具体如下：
步骤1.1、对于接地超表面，作为一个平面分层结构，接地介质层的横向延伸被认为是无限的；在平面波的照射下，包围一个单元的半空间区域内存在三个场，即由外加激励产生的入射场/>、由接地介质层和周围单元金属贴片产生的环境场/>和由金属贴片表面产生的散射场/>；电磁场/>是电场强度/>和磁场强度/>的简写，即/>，上标inc、env、sca分别表示入射场、环境场、散射场；/>，/>，，/>、/>、/>分别表示入射场、环境场、散射场的电场强度，/>、、/>分别表示入射场、环境场、散射场的磁场强度；
根据能量守恒定律，在包围的无限远闭合曲面/>内存在以下坡印廷定理
(1)
其中总电磁场是/>的总和，/>是总电场强度、/>是总磁场强度；/>是电导率，/>是虚数，/>是角频率，/>是真空磁导率，/>是真空介电常数；/>是自变量/>的增量、/>表示半空间区域/>内做内积；
金属表面上电场的切向分量的连续性条件为
(2)
其中是金属表面的单位外向法向量，/>表示外部电场强度；
坡印廷定理(1)等效地转化为以下替代形式
(3)
其中表示外部输入功率，/>表示系统输出功率，/>表示金属表面电流密度/>的复共轭；
式(3)的物理解释为：在时间间隔内，的实部表示被金属导体捕获的功率，其中一部分为被重反射的功率/>，一部分为被耗散的功率/>；/>的虚部表示被接地介质板反射的功率/>；
步骤1.2、由于接地超表面是平面分层结构，式(2)的积分方程写为
(4)
其中是由感应电流/>产生的线性算子，/>表示正切分量；
显然，阻抗特性隐含在中，所以阻抗算子/>被定义为
(5)
其中和/>分别代表阻抗算子/>的实部和虚部；
对于具有阻抗负载的接地超表面来说，/>、/>分别表示负载阻抗/>的电阻和电抗，将标准MPIE改写为/>，以说明/>对特征解的作用，通过求解矩量法阻抗矩阵/>的特征值来计算结构的CMs
(6)
其中、/>分别表示矩量法阻抗矩阵/>的厄米虚部和厄米实部，/>、/>分别表示负载阻抗矩阵/>的虚部和实部，/>是第/>个CM的特征值，/>是第/>个CM的特征电流；
令使特征电流/>规范正交化；因此金属表面上的总电流/>分解为特征电流的线性叠加/>，其中模态权重系数/>用于衡量每个/>对总电流/>的贡献大小；特征模的正交性用于将每个元素的输入功率/>分解为模式贡献之和
(7)
其中表示矩量法阻抗矩阵，/>表示负载阻抗矩阵，/>、/>分别表示第/>和/>个CMs的模式权重系数，/>表示/>的共轭；/>、/>分别表示第/>和/>个CMs的特征电流，/>表示/>的复共轭，/>表示第/>个CM的特征值；/>表示克罗内克函数，当/>时/>，否则/>；
步骤1.3、由式(3)和式(7)知，映射特征模态行为和吸收特性关系的理论模型写为
(8)
其中热转换效率近似第/>个CM捕获的功率全部被耗散，/>表示反射特性，表示吸收率，/>表示第/>个CM的模式权重系数，N表示选取的CM个数；
根据式(8)，从两个方面改善结构的吸收性能：
(i)提高CM的模式重要性MS，从而实现输入阻抗与自由空间空气阻抗/>的阻抗匹配；
(ii)在电流分布集中的区域加载匹配的阻抗来提高热转换效率。
2.根据权利要求1所述的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，其特征在于，步骤2中计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗以抑制散射的功率，具体如下：
步骤2.1、利用广义特征方程对初始结构进行CMA获得特征解，进而获得初始结构的模式重要性/>以及模式权重系数/>，其中/>、/>分别表示矩量法阻抗矩阵/>的厄米虚部和厄米实部，/>是第/>个CM的特征值，/>是第/>个CM的特征电流；/>是虚数，/>表示外部电场强度，/>表示/>的复共轭；/>是第n个CM的模式重要性；
选择目标频段内的N个模式，计算上述N个模式的特征电流，将金属表面上的总电流/>分解为N个特征电流的线性叠加，由表面特征电流分布计算得到远场方向图
(9)
其中表示观测点金属表面散射电场，/>是自由空间传播常数，/>是自由空间波阻抗，/>是观测点位置矢量，/>是源点位置矢量，/>是观测点与源点之间距离，/>是第n个CM的模式权重系数，/>是源点处第n个CM的特征电流密度，/>表示金属表面区域；
根据式(9)找到对散射电场产生主要贡献的工作模式，该模式对应的模式权重系数远大于其它模式对应的模式权重系数；
步骤2.2、根据计算的特征电流分布，在工作模式电流分布最集中的地方加载阻抗，使工作模式的大部分能量转换成热损耗功率耗散，不再向自由空间散射。
3.根据权利要求2所述的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，其特征在于，步骤3中计算阻抗加载结构的模式行为，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在则对高阶模式进行抑制或者吸收，具体如下：
利用式(6)对阻抗加载结构进行CMA获得特征解，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在，从以下两种方式中选择任一来处理高阶模式：
第一种方法：通过在高阶模式特征电流分布集中区域加载电阻，使高阶模式的散射功率转化为热能耗散；
第二种方法：通过增大高阶模式特征值的绝对值来抑制目标频段中高阶模式的MS；当高阶模式的特征值为负数时，选择在高阶模式的特征电流分布集中区域加载电容；当高阶模式的特征值为正数时，选择在高阶模式的特征电流分布集中区域加载电感。
4.根据权利要求1所述的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，其特征在于，步骤4中利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收，具体如下：
设定目标频段内的吸收带宽为目标函数
(10)
其中是指目标频段中心频率，/>和/>是根据连续范围内/>确定的频率最小值和最大值；
利用制定的理论模型评估目标结构的吸收特性，指导单元结构的吸收性能优化，满足期望宽带吸收。
5.根据权利要求1所述的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，其特征在于，步骤5中使用全波模拟来验证和优化，最终确定可重构超表面吸波器的目标结构，具体为：对目标结构的几何参数进行调整以满足最佳吸收性能，输出最终的目标结构。
6.一种可重构超表面吸波器的特征模式设计装置，其特征在于，该装置用于实现如权利要求1~5任一项所述的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法，所述装置包括理论模型制定模块、阻抗加载结构确定模块、高阶模式处理模块、阻抗优化模块、验证优化模块，其中：
理论模型制定模块，基于CMA将结构的散射分解为不同正交CMs叠加的特性，利用混合势积分方程制定关联特征模式行为与吸收特性的理论模型；
阻抗加载结构确定模块，计算初始结构在目标频段内的模式行为，找到对散射电场产生贡献的工作模式，通过在工作模式的模态电流最集中的地方加载阻抗以抑制散射的功率，得到阻抗加载结构；
高阶模式处理模块，计算阻抗加载结构的模式行为，确定是否存在破坏吸收特性的高阶模式，如果存在则对高阶模式进行抑制或者吸收；
阻抗优化模块，利用制定的理论模型评估阻抗加载结构的吸收特性，通过优化阻抗指导元件的吸收性能优化，实现宽带吸收；
验证优化模块，使用全波模拟来验证和优化，最终确定可重构超表面吸波器的目标结构。
7.一种超表面吸波器，其特征在于，该超表面吸波器的结构参数根据权利要求1~5任一项所述的可重构超表面吸波器的特征模式设计方法确定。
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