一种双功能反射超表面的设计方法及应用
【专利摘要】本发明公开了一种双功能反射超表面的设计方法及应用，该方法包括以下步骤：根据功能需求计算所需满足的相位需求；设计所需的单元结构，在不同方向独立实现360°范围相位覆盖；根据相位需求选取特定的单元结构；采用电磁仿真软件对超表面特性进行分析优化，得到最终双功能超表面。本发明提出了双功能超表面的4步设计方法，并研制了双功能超表面，同时实现了聚焦和奇异偏折特性；对双功能超表面进行馈电，研制了双功能天线，实现了反射阵和波束指向调控的双重功能；双功能天线具有工作频带宽、旁瓣电平低、口径效率高、辐射方向图多样等优点。
【专利说明】
-种双功能反射超表面的设计方法及应用
技术领域
[0001] 本发明属于通讯技术领域，设及一种双功能反射超表面的设计方法及应用。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着通讯技术的快速发展，多功能天线系统在集成电路，波前工程和雷达 系统等领域的作用越来越凸显。平面反射阵天线，同时具有反射面天线和阵列天线的优良 性能，在现代工程技术领域具有重要应用价值。目前，平面反射阵天线已被广泛用于太赫兹 频段和微波波段，同时，由于其高效的波束控制特性，也已用于研制不同功能的反射阵天 线，如双频高增益天线、双极化反射阵天线、双圆极化反射阵、双线极化可调反射阵天线、X 波段超宽带天线]W及波束扫描天线。然而，同时实现不同福射特性的双功能天线至今仍未 见报道。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种双功能反射超表面的设计 方法及应用。
[0004] 其具体技术方案为：
[0005] -种双功能反射超表面的设计方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤1、根据功能需求计算所需满足的相位需求，选取中屯、工作频率fo= 13GHz，X 方向实现聚焦效应，焦距为70mm，则其相位满足抛物线分巧
， y方向实现奇异偏折效应，相位梯度分布满足Cy(y) = 0.化0，超表面由24 X 24个单元构成；
[0007] 步骤2、设计所需的单元结构，在不同方向独立实现360°范围相位覆盖；
[000引步骤3、根据相位需求选取特定的单元结构，分别排列在相应位置，超表面总尺寸 为139.2mmX 139.2mm，相当于6.03A0X6.03A0,Ao为fo时的自由空间波长，y方向由3个超单 元组成，单元间满足-45°相位梯度；
[0009] 步骤4、采用电磁仿真软件对超表面特性进行分析优化，得到最终双功能超表面。
[0010] 本发明所述双功能反射超表面的设计方法在双功能天线制备过程中的应用。
[0011] 与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0012] 本发明提供一种双功能反射超表面的设计方法及应用，提出了双功能超表面的4 步设计方法，并研制了双功能超表面，同时实现了聚焦和奇异偏折特性;对双功能超表面进 行馈电，研制了双功能天线，实现了反射阵和波束指向调控的双重功能;双功能天线具有工 作频带宽、旁瓣电平低、口径效率高、福射方向图多样等优点。
【附图说明】
[0013] 图1是不同超表面在不同极化电磁波激励下的奇异电磁响应，GMSl对于(a)水平和 (b)垂直极化波的镜像反射效应，GMS1的相位分布满足化托.v')=Ci，q),知y)=。;GMS2对于 (a)水平极化波的聚焦效应和（b)垂直极化波的奇异偏折效应，GMS2的相位分布满足
[0014] 图2是螺旋谐振器单元结构示意图和仿真设置，（a)螺旋谐振器单元俯视图；（b)不 同极化激励时单元仿真设置；
[0015] 图3是单元反射系数、反射相位和谐振处电流分布；
[0016] 图4是不同极化激励下单元相位响应曲线，bl参数变化时(a)垂直极化波和(b)水 平极化波激励时的二维相位响应频谱。(a)垂直极化波和(b)水平极化波激励时单元的相位 响应曲线；
[0017] 图5是相位分布和设计的GMS示意图，（a)x方向的相位分布，（b)y方向的相位分布 和(C)设计的超表面结构示意图；
[0018] 图6是不同频率处yOZ平面上的电场分布，（a) IOGHz，（b) 1 IGHz，（C) 12GHz，（d) 13細z，（e)14GHz和（f)15GHz;
[0019]图7是数值模拟的奇异偏折效应，（a)f〇=13GHz处yoz平面内Ey场分布；（b)垂直极 化波激励下，散射场强度随频率和探测角度的变化关系；
[0020]图8是不同极化条件下的测试示意图W及加工样品，（a)水平和垂直极化激励时的 测试示意图；（b)Vivaldi天线加工样品；（C)设计超表面的加工实物图；
[0021 ]图9是反射阵天线仿真示意图和远场福射方向图，（a)天线仿真结构示意图；（b) 12細Z，（ d) 13GHz和（f) 14GHz时S维远场福射方向图；（C) 12細Z，（ e) 13GHz和（g) 14GHz处仿 真和测试的二维远场福射方向图；
[0022] 图10是仿真和测试的Vivaldi天线和反射阵天线的增益；
[0023] 图11是仿真和测试的不同频率处的二维福射方向图。（a) IlGHz，（b)13G化和（C) 15GHz.O
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
[0025] 双功能超表面实现的一般机理
[0026] 根据几何光学的基本原理，电磁波在两种材料的交界面处会发生反射和折射响 应，其入射波矢可W表示为
[0027]
(1)
[002引其中，kxi表示X方向的入射波矢，ko表示传播常数。当材料为非均一性媒质，且沿不 同方向存在相位梯度时，对于反射超表面来说，其反射波矢可W表示为
[0029]
[0030] 运里，巧.1,,表示在i极化电磁波激励下X方向的反射波矢，Cx(i)表示i极化电磁波激 励下X方向的相位梯度。在超表面设计中，其相位梯度可分别由下式计算
[0031]
口、
[0032] q)知巧表示超表面在(X，y)处的反射相位，对于不同偏振激发下的反射相位可W 表示为化知：F)郝取知，.如
[0033] 对于不同GMSs,其电磁响应有不同形式，如图1所示，对于传统梯度超表面，其在X 和y方向均为均一性媒质，其相位分布满巧
，采用不同极化电磁波激 励时，均会发生镜像反射效应，如图1(a)和(b)所示;对于GMS2,其在X和y方向分别满足不同 的相位分布，
采用X极化电磁波激发时，抛物线型 的相位分布会使电磁波发生汇聚效应，如图1 (C)所示，采用y极化波激励时，线性相位梯度 会产生奇异偏折效应，如图1(d)。实际上，对于各向异性梯度超表面来讲，不同的相位分布 可W实现不同功能，运里W反射聚焦和偏折效应来验证双功能超表面实现的可行性和集成 优势。
[0034] 宽带各向异性单元设计机理
[0035] 对于反射GMS，由于其反射幅度几乎为1，因此在设计时只需关注其相位信息，多模 谐振可W增大反射相位的覆盖范围，有利于实现波前的任意调控。图2给出了反射型螺旋线 单元的结构示意图，其由正交分布的两个螺旋谐振器、介质基板W及金属地板构成，介质板 义用厚度h = 3mm,介电常数为e：r = 4.3和虹耗角正切为化nS = 0.004的FR4基板,其中，Px = Py =5.8mm，C = g = t = 0.2mm，螺旋谐振器与地板之间强烈的近场禪合效应引起了磁谐振响 应，同时谐振频率随单元尺寸变化而改变，正交的谐振结构设计保证了单元在不同极化电 磁波激励下具有独立可控的电磁响应，因此设计中可单独调控bi和b2参数来实现反射相位 的调节。运里，应该指出的是立枝节的结构设计保证了单元的双谐振特性，当bi = b2 = 3.6mm 时，采用y极化电磁波激励时，其反射幅度和相位响应分别如图3所示，其反射幅度在8- 18GHz范围内均优于2.3地，同时在8.75和13.5GHz出现了两个谐振频点，其反射相位均为0。 图3同时给出了不同谐振频点的电流分布，在低频谐振点8.75G化处，整个螺旋谐振器与地 板间构成了磁谐振，两者间形成了强烈磁场;而在高频谐振点13.5GHz，内部两个螺旋枝节 参与谐振，环形电流主要集中在两者之间。
[0036] 为了验证单元的极化独立特性，并得到反射相位的扫描频谱，在不同极化电磁波 激发情况下，改变结构参数bi获得的反射相位分布如图4所示。当bi由ImmWo. 02mm(PCB加工 精度）的步长增加到5mm时，在9到16GHz范围内，垂直极化电磁波激励下，其相位响应如图4 (a)所示，对于任意频率，谐振器单元均实现了360°相位覆盖范围，图中蓝色圈标注了单元 的磁谐振频率位置，随着结构参数bi变化，两个谐振频点分别发生了频移。当采用水平极化 波对单元进行激发时，反射相位如图4 (b)所示，可W看出，在同一频率，单元反射相位几乎 不变，运就保证了单元的极化独立特性，在设计中可分别对不同方向单元进行相位控制。为 了评估单元的工作带宽，垂直极化激励下不同频率下单元的相位响应如图4(c)所示，13GHz 时，单元反射相位覆盖范围达到了405°，在10到15G化范围内，单元相位响应曲线几乎平行， 保证了相位响应的一致性和单元的宽频特性。采用水平极化波激发时，单元在不同频率下 的相位响应如图4(d)所示，对于一定工作频率，其相位响应变化范围小于10°。
[0037] 实施例1双功能反射超表面的研制
[0038] 基于前面的分析，可W分别独立控制X和y方向的相位分布来实现不同的功能需 求。为了不失一般性，运里给出双功能超表面设计的一般方法。第一，根据功能需求计算所 需满足的相位需求。选取中屯、工作频率fo=13G化，X方向实现聚焦效应，焦距为70mm，则其 相位满足抛物线分布
y方向实现奇异偏折效应，相位梯度 分布满足Cy(y)=〇.化0,超表面由24X24个单元构成，每个单元相位分布分别如图5(a)和 (b)所示。第二，设计所需的单元结构，在不同方向独立实现360°范围相位覆盖，如图4所示。 第=，根据相位需求选取特定的单元结构，分别排列在相应位置。设计版图如图5(c)所示， 超表面总尺寸为139.2mmX 139.2mm，相当于6.03A〇 X6.03A〇,Ao为时时的自由空间波长。y方 向由3个超单元组成，单元间满足-45°相位梯度，响应超单元如图5(c)所示。第四，采用电磁 仿真软件对超表面特性进行分析优化，得到最终双功能超表面。
[0039] A.聚焦特性验证
[0040] 采用CST电磁仿真软件对超表面进行电磁仿真，将设计的GMS置于xoy平面，采用X 极化沿-Z传输的电磁波进行有效激发，yoz平面内的Ex分布如图6所示。可W看出，从10至 15G化之间，超表面具有良好的聚焦效应。在中屯、频率fo = 13GHz，透镜焦点出现在Z = 70mm 处，运里透镜焦距由Z轴上能量强度的最大值来判定。仿真焦距与设计焦距完全一致，证明 了设计单元强大的相位补偿能力和超表面设计的准确性。当频率由IOG化增加到15G化时， 焦距由50mm增加到85mm。随着频率偏离中屯、频率，计算相位分布出现偏差，同时单元相位补 偿能力变弱，导致透镜聚焦能力变差，该现象在10和15G化处尤其明显。与一维聚焦完全不 同，该透镜能实现良好的二维聚焦，XOZ平面处的Ex也具有聚焦效应。
[0041 ] B.奇异偏折特性验证
[0042] 采用y极化沿-Z传输的电磁波对超表面进行激发，fo=13G化处yoz平面内Ey分布 如图7(a)所示，需要说明的是为了减小入射波对奇异偏折效应的影响，运里采用响应场减 去入射场信息，看W看出电磁波发生了29.7°的波束偏折，运与理论计算值0, = 3111-1(3王11 (i)+C/k〇) = 29.8°几乎完全一致，进一步验证了超表面对波束调控的准确性。为了表征奇 异偏折的带宽特性，图7(b)绘制了散射场强随频率和角度的分布关系，其中蓝色五星标记 为理论偏折角度。可W看出，理论偏折角度与模拟结果吻合良好，超表面在10到15G化具有 良好的偏折效应，在fo处，几乎所有能量全部位于奇异偏折角度处，而随频率偏移中屯、频 率，零阶散射分量开始出现，运在9和16G化处尤其明显，运主要是由单元的工作频带决定 的。
[0043] 实施例2双功能天线制备
[0044] 双功能超表面实现了聚焦效应和奇异偏折效应的自由切换，将点源置于透镜焦点 处，可W实现球面波到平面波的转化，进而设计高增益反射阵天线，同时，采用卿趴发射的 平面波对超表面进行馈电，可W实现波束扫描天线。天线设计示意图如图8(a)所示，加工的 超表面样品如图8(c)所示，周围的介质过孔用于对天线进行固定。
[0045] A.反射阵天线验证
[0046] Vivaldi天线可W福射宽频球面波，图8(b)给出了Vivaldi天线的加工实物图，其 被用于反射阵天线的馈源。优化Vivaldi天线与超表面间的距离l = 72mm，使反射阵天线达 到最佳性能。图9(b)、（d)和(f)分别给出了 12、13和HGHz处S维远场分布图，可W看出，反 射阵天线实现了窄波束高增益福射，在中屯、频率处增益达到了 24.4地。模拟(测试）的二维 远场分布图如图9 (C)、（ e)和(g)所示，半功率波束宽度在12GHz为9.5° (9.6°)，13GHz为9.2° (9.2°)，14GHz为9.8° (10.2°)，仿真和测试之间的微小差别一方面由加工误差引起，一方面 由测试中的泡沫和介质螺钉引起。波束前后比在模拟中均优于25地，实验测试中优于20地， 模拟（测试）的旁瓣电平在12,13和14細Z处分别为16.8(15.2) ,25.8(16.3)和25.5(15.8) 地。同时，交叉极化电平均优于25.5地，表明了天线系统良好的工作性能。
[0047]为了定量分析超表面反射阵天线性能，对空Vivaldi天线和透镜天线系统的增益 分别进行测试，结果如图10所示，可W看出，在10到15GHz范围内，反射阵天线系统增益显著 增加了至少11.8dB，在13.5G化最大增加了 13.5dB。仿真和测试的1-dB增益带宽分别为 16.42%(12.3-14.56化）和12.03%(12.5-14.16化），由公式11 = 6/0。3义=6/(101邑（4沖9/ 入O2)) X 100%，在fo处计算出的仿真和测试口径效率分别为60.26%和52.48%。
[004引B.波束扫描天线验证
[0049] 采用垂直极化的卿趴天线对超表面进行馈电，运里卿趴与超表面间距离为1.2m， 用于保证波束良好的平面波特性，测试天线的远场分布如图11所示，可W看出，仿真和测试 结果吻合良好，验证了天线工作的可行性。在11，13和15G化处，仿真(测试)的偏折角度分别 为35.6° (35°) ,29.7° (30° )，和25.6° (25° )，说明了天线工作的宽带特性。在中屯、频率处，天 线旁瓣电平相对较低。波束扫描天线良好的性能使其在无线通讯系统中具有重要的应用前 景。
[0050] W上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，本发明的保护范围不限于此，任何熟 悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简 单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种双功能反射超表面的设计方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1、根据功能需求计算所需满足的相位需求，选取中屯、工作频率f〇=13G化，X方向实 现聚焦效应，焦距为70mm，则其相位满足抛物线分巧，巧 向实现奇异偏折效应，相位梯度分布满足Cy(y) = 0.化0，超表面由24 X 24个单元构成； 步骤2、设计所需的单元结构，在不同方向独立实现360°范围相位覆盖； 步骤3、根据相位需求选取特定的单元结构，分别排列在相应位置，超表面总尺寸为 139.2mm X 139.2mm，相当于6.03λ〇 X 6.03λ〇，λ〇为f〇时的自由空间波长，y方向由3个超单元 组成，单元间满足-45°相位梯度； 步骤4、采用电磁仿真软件对超表面特性进行分析优化，得到最终双功能超表面。2. 权利要求1所述双功能反射超表面的设计方法在双功能天线制备过程中的应用。
【文档编号】H01Q15/14GK106099384SQ201610634757
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月4日 公开号201610634757.5, CN 106099384 A, CN 106099384A, CN 201610634757, CN-A-106099384, CN106099384 A, CN106099384A, CN201610634757, CN201610634757.5
【发明人】蔡通, 王光明, 梁建刚, 李唐景, 许河秀, 庄亚强
【申请人】中国人民解放军空军工程大学