基于各向異性超表面的雙極化多功能器件及設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于雙極化多功能器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于各向異性超表面的雙極化多功能器件及設(shè)計方法。本發(fā)明的雙極化多功能器件由饋源和各向異性超表面組成，饋源與各向異性超表面的距離為F，饋源對各向異性超表面的投影位于各向異性超表面的中心；各向異性超表面由N*N個單元尺寸參數(shù)各不相同的各向異性超表面單元組成；所述各向異性超表面單元均由上、下兩層完全相同的復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)、高度均為h的兩層介質(zhì)板以及底部金屬背板組成；其中，復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)均由十字環(huán)嵌套十字架貼片構(gòu)成。本發(fā)明率先基于各向異性超表面將四波束相位梯度與拋物面梯度以及四波束相位梯度與線性梯度進(jìn)行合成，實現(xiàn)了多功能和復(fù)雜電磁波調(diào)控。
【專利說明】
基于各向異性超表面的雙極化多功能器件及設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于雙極化多功能器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于各向異性超表面的雙極化 多功能器件及設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 經(jīng)過十幾年的發(fā)展，超材料(Metamaterial，MTM)已發(fā)展成為一個具有多分支且概 念非常完備的豐富體系，雖然通過三維超材料可以任意操控電磁波，但高損耗和復(fù)雜的制 備工流程極大地限制了它的應(yīng)用和推廣。作為超材料的一種二維平面形式，超表面 (Metasurface)因應(yīng)而生，由于其平面結(jié)構(gòu)和獨特的電磁特性且能與飛機、導(dǎo)彈、火箭以及 衛(wèi)星等高速運行目標(biāo)共形而不破壞其外形結(jié)構(gòu)及空氣動力學(xué)等特性，近年來受到研究人員 的青睞和廣泛關(guān)注。2011年，廣義Snel 1折射/反射定律的發(fā)現(xiàn)開辟了人們控制電磁波和光 的全新途，正在推動該領(lǐng)域產(chǎn)生一場技術(shù)革新，梯度超表面也因此成為超材料新的分枝和 研究熱點。由于梯度超表面作為一種基于相位突變和極化控制思想設(shè)計的二維梯度結(jié)構(gòu)， 可對電磁波的激發(fā)和傳輸進(jìn)行靈活控制，實現(xiàn)奇異折射/反射、極化旋轉(zhuǎn)以及非對稱傳輸?shù)?奇異功能，具有更加強大的電磁波調(diào)控能力，GMS在隱身表面、共形天線、數(shù)字編碼、平板印 刷等方面顯示了巨大的潛在應(yīng)用價值，成為各國搶奪的一個學(xué)科制高點和學(xué)科前沿。
[0003] 各向異性超表面是指不同極化下呈現(xiàn)不同電磁響應(yīng)的人工電磁結(jié)構(gòu)。由于正交極 化下超表面單元的相位響應(yīng)可以獨立調(diào)控而互不影響，各向異性超表面已被應(yīng)用于獨立操 控兩個正交極化下的反射/透射電磁波波前，如線-圓極化轉(zhuǎn)換器，線極化波束分離器等，近 年來成為超表面的研究熱點。但已有文獻(xiàn)均局限于線性梯度的雙極化操控，至今還未見關(guān) 于拋物梯度和其它更加復(fù)雜相位梯度的雙極化操控。本發(fā)明率先基于各向異性超表面將四 波束相位梯度與拋物面梯度以及四波束相位梯度與線性梯度進(jìn)行合成，實現(xiàn)了多功能和復(fù) 雜電磁波調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)多功能和復(fù)雜電磁波調(diào)控的雙極化多功能 器件及設(shè)計方法。
[0005] 本發(fā)明提出的雙極化多功能器件，是基于各向異性超表面技術(shù)的。其由饋源和各 向異性超表面組成，其中饋源與各向異性超表面的距離為K超表面焦距），饋源對各向異性 超表面的投影位于各向異性超表面的中心；各向異性超表面由個單元尺寸參數(shù)各不相 同的各向異性超表面單元組成;所述各向異性超表面單元均由上、下兩層完全相同的復(fù)合 金屬結(jié)構(gòu)、高度均為A的兩層介質(zhì)板以及底部金屬背板組成;其中，復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)均由十字 環(huán)嵌套十字架貼片構(gòu)成。
[0006] 本發(fā)明中，各向異性超表面的具體結(jié)構(gòu)由本發(fā)明設(shè)計的各向異性超表面單元結(jié)構(gòu) 與所需實現(xiàn)的雙極化電磁功能確定，所述雙極化電磁功能是指超表面在兩個正交極化激勵 下實現(xiàn)的不同電磁波調(diào)控功能，兩個正交極化激勵具體通過繞饋源軸線旋轉(zhuǎn)饋源90°來實 現(xiàn)。具體來說，各向異性超表面由不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的各向異性超表面單元根據(jù)特定相位梯度 分布排列組成，特定相位梯度由預(yù)定實現(xiàn)的功能決定并通過改變單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)。
[0007] 下面以單波束-四波束雙極化高定向天線與波束偏折-四波束雙極化高定向天線 為例，具體介紹各向異性超表面結(jié)構(gòu)組成。兩種天線均由喇叭饋源和各向異性超表面組成 且中心工作頻率均為/b=10GHz;單波束-四波束雙極化高定向天線的超表面包含辦浪27*27 個各向異性超表面單元，口徑尺寸為供27*8.3=224.1mm，饋源位置F=224.1*0.56=125.5mm， 四波束的空間指向為（沴ι=〇°，料〇°)，（沴i=90°，料0°)，（沴ι=180°，料0°)以及（沴ι= 270°，&40° )。波束偏折-四波束雙極化高定向天線的超表面包含##31*31個各向異性超 表面單元，口徑尺寸為供257.3*257.3mm 2，饋源位置為片257.3*0.6=154.4mm，四波束空間 指向為（沴1=0°，*3〇°)、（沴1=90°，*30°)、（沴ι=180°，隹30°)以及（如=270°，隹30°)。喇叭 饋源由長為a=22.86 mm，寬為6=10.16 mm的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-100和口徑為射步44*24 mm2的喇 叭開口構(gòu)成，整體高度為>30 mm。所述雙極化通過對喇叭旋轉(zhuǎn)90°獲得天線的正交極化特 性。
[0008] 單波束-四波束雙極化高定向天線的單波束功能是指喇叭沿X方向極化時超表面 實現(xiàn)的高定向單波束輻射功能，由拋物相位梯度實現(xiàn)，具體地根據(jù)射線追蹤法和相位補償 原理法?
計算得到，式中分別代表各單元在超表面 中的橫、列位置，Ρ為單元周期，:；1是工作波長，具體通過控制十字架水平貼片長度h實現(xiàn);單 波束-四波束雙極化高定向天線的四波束功能是指喇叭沿y方向極化時超表面實現(xiàn)的高定 向四波束輻射功能，其四波束相位梯度通過交替投影算法優(yōu)化得到，具體通過控制十字架 豎直貼片長度辦實現(xiàn)。由于拋物梯度和四波束梯度均屬于二維梯度，h和辦在x、y方向均發(fā) 生變化，同時微帶陣單元結(jié)構(gòu)參數(shù)辦和辦關(guān)于x、y均軸呈軸對稱分布且其余結(jié)構(gòu)參數(shù)為A= jDy=8.3 mm，_rx=_Ty=8· lmm，c/i=c/2=〇.25mm和Flmm〇
[0009] 波束偏折-四波束雙極化高定向天線的波束偏折功能是指喇叭沿x方向極化時超 表面實現(xiàn)的波束指向傾斜(偏折)輻射功能，由線性相位梯度來實現(xiàn)，即通過沿X方向周期排 列超單元實現(xiàn)。為便于設(shè)計超表面，沿X和y方向的單元個數(shù)相等且為Afe，其波束偏折角度由
計算得到，其中4為工作頻率處的波長。所述超單元的線性相位 梯度在10GHz處為60°，超單元周期為49.8mm，在一個超周期內(nèi)，十字架水平貼片長度沿X方 向依次為2x=3 · 65mm, 7x=3 · 2mm，_/x=2 · 6mm，_/x=2 · 31mm，_/x=2 · lmn^P_/x=l · 83mm;波束偏折-四 波束雙極化高定向天線的四波束功能是指喇叭沿y方向極化時超表面實現(xiàn)的高定向四波束 輻射功能，與單波束-四波束雙極化高定向天線的四波束功能類似，只是空間波束指向位置 不同，四波束相位梯度同樣采用交替投影算法優(yōu)化得到。由于線性梯度僅在一個維度方向 上，Λ沿y方向保持不變而辦沿x、y方向均發(fā)生變化，超表面陣單元結(jié)構(gòu)參數(shù)辦僅關(guān)于X軸呈 軸對稱分布，而辦關(guān)于X、y軸均呈軸對稱分布，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)為Α=Α=8.3 mm，rx=ry=8.1mm， c/i=c/2=〇 · 25mm 和 Flmm〇
[0010] 下面具體介紹各向異性超表面單元結(jié)構(gòu)及其電磁特性： 對于任意二維各向異性超表面，包括梯度方向和極化方向具有四個自由度，即：
其中，下標(biāo)x/y表示梯度方向，括號內(nèi)x/y表示極化方向，這里V"表示"或"的意思。因此 對于具有任意梯度方向和極化方向的各向異性超表面，垂直入射波經(jīng)超表面散射后的空間 波矢分量可寫成：
從式(2)可以看出，通過操控超表面的梯度方向和極化方向可以對出射電磁波的縱向 波矢進(jìn)行任意操控，實現(xiàn)一些奇異電磁現(xiàn)象，同時各向異性超表面要求兩個正交極化下電 磁響應(yīng)具有完全極化不相關(guān)性，也即極化不依賴性。
[0011] 根據(jù)上述分析，本發(fā)明提出了一種各向異性超表面反射單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該 單元由上、下兩層完全相同的復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)、高度均為A的兩層介質(zhì)板以及底部金屬背板組 成;其中，復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)由十字環(huán)嵌套十字架貼片構(gòu)成。電磁波沿-z軸垂直入射，沿χ/y軸極 化。由于底部金屬背板的作用，電磁波入射到超表面后發(fā)生全反射，沒有透射。為實現(xiàn)χ/y正 交極化電磁波入射時超表面不同的電磁響應(yīng)，分別改變X軸和y軸方向上十字架貼片的長度 厶和Λ，使單元具有不同的反射相位
其余結(jié)構(gòu)參數(shù)Α=Α=8.3 mm，rx=ry=8· 1mm，c/i=c/2=〇· 25mm以及Flmm保持不變。這里十字架貼片和十字環(huán)構(gòu)成的復(fù)合 結(jié)構(gòu)具有很好的極化不相關(guān)性，而且隨著十字架貼片寬度說]減小單元的極化不相關(guān)性更 好(詳見圖4)。
[0012] 為說明各向異性超表面單元的電磁特性，采用商業(yè)仿真軟件對單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行S參 數(shù)仿真。圖2給出了各向異性超表面單元在y極化電磁波垂直入射時的S參數(shù)幅度和相位，這 里十字架貼片長度2厶，2厶變化的范圍為[1 mm，7.3 mm]且最小貼片長度大小與貼片寬度r 相同。可以看出無論厶=lmm還是2人=3.65mm，超表面單元的幅度和相位在整個觀測頻率8~ 13GHz范圍內(nèi)隨厶的變化均很小，當(dāng)厶由0 · 5mm增至3 · 65mm時諧振頻率只向低頻漂移0 · 2GHz， 在10.6GHz處相位差最大且為58°，而在圖中陰影部分相位差幾乎為0°，具有很好的電磁響 應(yīng)極化不相關(guān)性。從圖2還可以看出，當(dāng)厶在[0.5mm，3.65mm]范圍內(nèi)變化時，超表面單元在 10GHz處的相位變化為380°，完全達(dá)到360°相位覆蓋要求。
[0013] 為進(jìn)一步進(jìn)行驗證，圖3給出了單元反射相位隨頻率和Λ變化的二維相圖，可以看 出除10.6GHz附近以及8.2GHz以下相位響應(yīng)隨厶變化有微小差異之外，其余頻率處單元的 相位響應(yīng)不隨人變化，再次驗證了單元的極化不相關(guān)性。圖2和圖3的結(jié)果告訴我們，為實現(xiàn) 完美極化不相關(guān)性，單元的工作頻率應(yīng)低于人取最大值(本發(fā)明人=3.65mm)時的諧振頻率。
[0014] 如圖4所示，當(dāng)2Λ與寬度r相同時（最小值），隨著貼片寬度⑷勺增大超表面單元的 反射幅度、相位響應(yīng)曲線幾乎保持不變;而當(dāng)人=3.65mm時(最大值），隨著貼片寬度⑷勺增大 超表面單元的反射幅度、相位響應(yīng)曲線逐漸向低頻移動，這使得人的變化對y極化時電磁響 應(yīng)的影響加強，不利于極化不相關(guān)性設(shè)計。因此為實現(xiàn)完美極化不相關(guān)性，貼片寬度喊I小 越好，但同時》^小相位積累不夠，因此為同時滿足極化不相關(guān)性和360°相位覆蓋，本發(fā)明 實施類中選擇mm〇
[0015] 如圖5所示，當(dāng)厶由0.5mm逐漸增至3.65mm時，各向異性超表面單元的反射幅度在 9,9.5,10以及10.5GHz處均大于0.97,具有很好的反射幅度一致性，而四個頻率處反射相位 響應(yīng)隨人的變化率一致，曲線斜率幾乎平行，相位變化一致性好，超表面單元具有很寬的工 作帶寬。
[0016] 圖6為各向異性超表面單元在Λ=10 GHz處的反射幅度、相位響應(yīng)隨厶變化的掃描 曲線。單元結(jié)構(gòu)參數(shù)為j〇x=jDy=8· 3 mm，_rx=iv=8· 1mm，c/i=c/2=0 · 25mm，F(xiàn)lmn^P_/x=2mm。其中/7χ、Αγ 分別為單元沿x和y方向的周期，rx、ry分別為十字環(huán)沿x和y方向的長度，d、必分別為十字環(huán) 的寬度以及十字環(huán)與十字架貼片的縫隙距離，r為十字架貼片的寬度。
[0017] 各向異性超表面由不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的各向異性超表面單元根據(jù)特定相位梯度分布 排列組成，特定相位梯度由預(yù)定實現(xiàn)的功能決定并通過改變單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)。
[0018] 本發(fā)明提出的基于各向異性超表面的雙極化多功能器件的設(shè)計方法，具體步驟為 (以單波束-四波束雙極化高定向天線以及波束偏折-四波束雙極化高定向天線為例）： 第一步:根據(jù)正交極化下需要實現(xiàn)的電磁波調(diào)控功能，確定兩個極化下器件口徑上的相 位分布。例如，實現(xiàn)高定向輻射時的拋物線/面梯違
分別代表各單元在超表面中的橫、列位置，P為單元周期長度），實現(xiàn)波束偏折時的線性 梯度以及實現(xiàn)均勻多波束的多波束相位梯度等，這里拋物相位梯度和線性相位梯度直接由 公式計算得到，而多波束相位梯度根據(jù)交替投影算法優(yōu)化得到。在確定上述器件相位分布 的過程中，要預(yù)定器件的一些初始參數(shù)，如饋源位置凡中心工作頻率Λ，口徑大小P與單元 個數(shù)#你>，四波束的空間俯仰角蟻及方位角必。
[0019] 第二步:合理設(shè)計正交極化不相關(guān)超表面單元結(jié)構(gòu)，使其滿足幅度一致性好以及 360°相位覆蓋。首先確定極化不相關(guān)單元的反射正交分量組合，如本發(fā)明單波束-四波束雙 極化器件選擇Μ，毛(>0和?乂V)，而波束偏折-四波束雙極化器件選擇& 〇〇，易〇〇 和然后根據(jù)確定的反射正交分量組合進(jìn)行單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得改變y方向上的單元 尺寸對100和g幻沒有影響，改變X方向上的單元尺寸對高Cv)和a (3〇沒有影響。
[0020] 第三步:對超表面單元進(jìn)行參數(shù)掃描分析，獲得單元反射相位隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化 關(guān)系，如圖6所。這里以中心工作頻率處的相位為參考，為提高后續(xù)結(jié)構(gòu)建模的精度需要對 掃描反射相位分別對頻率和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行二次樣條插值。
[0021] 第四步:根據(jù)口徑相位分布以及單元相位隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系，獲得雙極化器 件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于（⑴名⑴與⑴之間具有很好的極化不相關(guān)性，可以對x、y方 向尺寸進(jìn)行獨立建模，極大地方便了設(shè)計并具有很高的設(shè)計自由度。方法是基于第三步得 到的參數(shù)掃描結(jié)果并采用尋根算法在商業(yè)仿真軟件里面進(jìn)行自動化超表面陣元建模，確定 各陣元沿x、y方向的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這里尋根算法以相位差值最小為依據(jù)進(jìn)行遍歷。
[0022] 需要說明的是本發(fā)明雙極化多功能器件設(shè)計方法適用于透、反射體系，凡是基于 透射體系設(shè)計的單波束-四波束雙極化高定向天線、波束偏折-四波束雙極化高定向天線以 及使用相關(guān)思想設(shè)計的雙極化多功能天線都屬于本專利的保護范圍。而本發(fā)明實施例中僅 以反射體系為例進(jìn)行說明。
【附圖說明】
[0023] 圖1為各向異性超表面單元的(a)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與(b)尺寸示意圖。
[0024] 圖2為各向異性超表面單元在四種不同貼片長度組合下的反射幅度、相位響應(yīng)。
[0025] 圖3為各向異性超表面單元隨A變化的反射相位響應(yīng)。
[0026] 圖4為各向異性超表面單元在不同貼片寬度r下的反射幅度和相位響應(yīng)。
[0027]圖5為9、9.5、10和10.5GHz處各向異性超表面單元的反射幅度、相位響應(yīng)隨Λ變化 的曲線。
[0028]圖6為各向異性超表面單元在Λ=10 GHz處的反射幅度、相位響應(yīng)隨厶變化的掃描 曲線。單元結(jié)構(gòu)參數(shù)為/7χ=Α=8 · 3 mm, rY= ry=8.1mm，<i=c/2=0 · 25mm，F(xiàn)lmm和_/x=2mm。
[0029] 圖7為單波束-四波束雙極化高定向天線的口徑相位分布。(a)x極化;（b)y極化。
[0030] 圖8為單波束-四波束雙極化高定向性天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括側(cè)視圖（上)和俯視圖 (下）。
[0031] 圖9為基于交替投影算法優(yōu)化后的單饋四波束反射陣天線理論輻射方向圖。
[0032] 圖10為單波束-四波束雙極化高定向性天線的輻射方向圖。(a)x極化;（b)y極化。
[0033] 圖11為單波束-四波束雙極化高定向性天線的輻射增益隨頻率的變化曲線。
[0034] 圖12為波束偏折-四波束雙極化高定向天線的口徑相位分布。（a)x極化；（b)y極 化。
[0035]圖13為經(jīng)過交替投影算法優(yōu)化后的單饋四波束天線理論輻射方向圖。
[0036] 圖14為波束偏折-四波束雙極化高定向性天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0037] 圖15為波束偏折-四波束雙極化高定向性天線的散射與輻射方向圖。
[0038] 圖16為波束偏折-四波束雙極化多功能器件的散射場圖與增益曲線。
【具體實施方式】
[0039] 實施例1:單波束-四波束雙極化高定向天線 單波束-四波束雙極化高定向天線的設(shè)計過程詳見雙極化多功能器件設(shè)計方法，其最 終口徑相位分布如圖7所示，其中，X極化下微帶陣口徑上為拋物線相位分布，y極化下微帶 陣口徑上為四波束相位分布。這里四波束口徑相位分布根據(jù)事先預(yù)定的饋源位置片224.1* 0.56=125.5mm，微帶反射陣的中心工作頻率/b=10GHz，口徑尺寸供27*8.3=224.1mm，單元個 數(shù)##27*27以及四波束的空間俯仰角蟻及方位角6并采用交替投影算法優(yōu)化得到。這里 超表面陣元采用上述各向異性超表面單元，四波束的空間指向為（$1=0°，*40° )，（沴ι= 90°，料0°)，（必i=180°，料0°)以及（必i=270°，料0°)。
[0040]圖8給出了本發(fā)明單波束-四波束雙極化高定向天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，天線由喇叭饋源 和各向異性超表面組成，通過繞z軸旋轉(zhuǎn)喇叭饋源可以改變雙極化器件的極化特性，本發(fā)明 通過對喇叭旋轉(zhuǎn)90°獲得天線的正交極化特性。喇叭饋源由長為a=22.86 mm，寬為6=10.16 mm的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-100和口徑為無步44*24 mm2的喇叭開口構(gòu)成，整體高度為Z=30 mm。天線 的拋物梯度分別通過控制十字架水平貼片長度辦實現(xiàn)，而四波束梯度通過控制十字架豎直 貼片長度辦實現(xiàn)，由于拋物梯度和四波束梯度均屬于二維梯度，辦和辦在x、y方向均發(fā)生變 化，同時微帶陣單元結(jié)構(gòu)參數(shù)和辦關(guān)于x、y軸呈軸對稱分布且其余結(jié)構(gòu)參數(shù)為Α=Α=8.3 mm, Γυ= ry=8 · 1mm，c/i=c/2=0 · 25mm和Flmm。
[0041] 如圖9所示，經(jīng)過優(yōu)化后雙極化器件在/b=10GHz處呈現(xiàn)四個清晰的等幅均勻筆形 波束且波束在四個方位角（必1=0°，必1=90°，如=180°和h=270°)上均精確指向料0°，同 時旁瓣均被壓制在_38dB以下。
[0042]圖10給出了單波束-四波束雙極化高定向性天線在五個典型頻率處的仿真輻射方 向圖?？梢钥闯?，X極化下天線呈現(xiàn)出高定向單波束輻射且在/Q=10GHz處具有峰值增益 24.4dB，根據(jù)卩=/ 4ifS計算的口徑效率為39.3%，而在9.5-10.5GHz范圍內(nèi)天線的增 益波動較小，ldB增益帶寬達(dá)到1GHz極化下天線在9.1，9.4，9.7，10和10.5GHz五個頻率處 均有效形成了四個筆形波束且波束均近似指向*40°方向，誤差小于±0.5°，在中心工作頻 率9.7 GHz處峰值增益達(dá)到了17.5dB，口徑效率達(dá)到
=33.9%，同時從 輻射功率密度來看四個波束的幅度一致性較好。單波束-四波束雙極化高定向性天線的輻 射增益隨頻率的變化曲線如圖11所示。可以看出X極化時，單波束-四波束雙極化高定向性 天線的增益在9.5~10.5GHz范圍內(nèi)均大于23dB，增益變化小于ldB; y極化時，單波束-四波束 雙極化高定向性天線的等效增益（折合成單波束后的增益）在9.5-10.6GHz范圍內(nèi)均大于 22dB，增益變化小于ldB，兩種極化下ldB增益帶寬分別達(dá)到1GHz和1. 1GHz。
[0043] 實施例2:波束偏折-四波束雙極化高定向天線 波束偏折-四波束雙極化高定向天線的設(shè)計過程詳見雙極化多功能器件設(shè)計方法，其 最終口徑相位分布如圖12所示，其中X極化下超表面沿X方向為線性相位分布，超單元由Afe= 7個單元組成且在10GHz處的線性相位梯度為60°，超周期為49.8mm，其理論波束偏折角度可 計算為
，，其中4為工作頻率處的波長;y極化下超表面上為四波 束相位分布，天線包含1*31個各向異性超表面單元，口徑尺寸為供257.3*257.3mm2， 饋源位置為片257.3*0.6=154.4mm，中心工作頻率為/b=10GHz，四波束的空間位置為（沴 〇°，*30°)以及（<^=270°，隹30° )。四波束的 口徑相 位分布同樣采用交替投影算法優(yōu)化得到。最終優(yōu)化后的四波束天線理論輻射方向圖如圖13 所示，可以看出天線在/b=l〇GHz處呈現(xiàn)四個清晰的等幅筆形波束且具波束在四個方位角 (沴 1=〇°，<^=90°，<^=180°和必^270°)上均精確指向*30°，同時旁瓣均被壓制在-30dB以 下。
[0044] 圖14給出了波束偏折-四波束雙極化高定向性天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。波束偏折-四波束 雙極化高定向性天線同樣由喇機饋源激勵，其激勵方式與單波束-四波束雙極化高定向性 天線類似。在一個超周期內(nèi)，十字架水平貼片長度沿X方向依次為辦=3.65mm，辦=3.2mm， 2.6mm，辦=2.31mm，Λ=2.1mm和Λ=1.83mm，由于線性梯度僅在一個維度方向上，Λ沿y方向 保持不變而辦沿x、y方向均發(fā)生變化，超表面陣單元結(jié)構(gòu)參數(shù)h僅關(guān)于X軸呈軸對稱分布， 而辦關(guān)于x、y軸均呈軸對稱分布，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)為Α=Α=8.3 mm，rx=ry=8.1mm，c/i=c/2=〇. 25mm 和 Flmm〇
[0045] 圖15給出了波束偏折-四波束雙極化高定向性天線的仿真散射和輻射方向圖，其 中X極化下采用平面波激勵，y極化下采用喇叭饋源激勵?？梢钥闯觯琗極化下雙極化器件在 9 . 5，9 . 8，10 . 3和10 . 5GHz處有很純的奇異偏折模式且偏折角度隨頻率滿足
，而〇階鏡像反射模式和-1階衍射模式均被有效抑制；y極化 下，天線在空間四個預(yù)定方向（必1=〇°，*30°)、（必1=90°，*30°)、（必1=180°，*30°)以及 (必:=270°，隹30°)附近形成了明顯的高定向筆形波束且誤差小于±0.5°。天線在9.8 GHz 處具有處峰值增益且達(dá)到了 19.3dB，口徑效率計算戈
3.1%，同時從 輻射功率密度來看四波束的幅度一致性較好。
[0046]為進(jìn)一步說明雙極化器件的功能特性和帶寬，圖16給出了器件在X極化下的散射 場頻譜圖與y極化下輻射增益變化曲線?？梢钥闯鯴極化下雙極化器件在9.6-10.7GHz范圍 內(nèi)鏡像散射和-1階衍射能量很弱，被有效抑制，理論計算偏折角與仿真偏折角吻合的非常 好，偏折角從8.5GHz的45.1°變化至丨」11GHz的33.2° ; y極化下雙極化器件在9.1-10.7GHz范圍 內(nèi)增益均高于23dB，在9.2-10.3GHz范圍內(nèi)增益均高于24dB，ldB增益帶寬達(dá)到1. 1GHz。兩個 極化下多功能器件均具有較寬的工作帶寬，相對帶寬達(dá)到11%。
【主權(quán)項】
1. 一種基于各向異性超表面的雙極化多功能器件，其特征在于，由饋源和各向異性超 表面組成，其中饋源與各向異性超表面的距離為八即超表面焦距，饋源對各向異性超表面 的投影位于各向異性超表面的中心；各向異性超表面由個單元尺寸參數(shù)各不相同的各 向異性超表面單元組成;所述各向異性超表面單元均由上、下兩層完全相同的復(fù)合金屬結(jié) 構(gòu)、高度均為A的兩層介質(zhì)板以及底部金屬背板組成;其中，復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)均由十字環(huán)嵌套 十字架貼片構(gòu)成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于各向異性超表面的雙極化多功能器件，其特征在于，所述 各向異性超表面由不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的各向異性超表面單元根據(jù)特定相位梯度分布排列組成， 特定相位梯度由預(yù)定實現(xiàn)的功能決定并通過改變單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于各向異性超表面的雙極化多功能器件，其特征在于，所述 雙極化多功能器件為單波束-四波束雙極化高定向天線或波束偏折-四波束雙極化高定向 天線，兩種天線均由喇叭饋源和各向異性超表面組成且中心工作頻率均為/b=l〇GHz，其中： 單波束-四波束雙極化高定向天線的超表面包含##27*27個各向異性超表面單元，口 徑尺寸為供27*8.3=224.1_，饋源位置片224.1*0.56=125.5_，四波束的空間指向為（沴!= 0°，料0°)，（必1=90°，料0°)，（必i=180°，料0°)以及（必ι=270°，料0°); 波束偏折-四波束雙極化高定向天線的超表面包含##31*31個各向異性超表面單元， 口徑尺寸為供257.3*257.3mm2，饋源位置為片257.3*0.6=154.4mm，四波束空間指向為（沴!= 0。，隹30。）、（必ι=90。，*30。）、（必ι=180。，隹30。）以及（必ι=270。，隹30。）； 喇叭饋源由長為a=22.86 mm，寬為6=10.16 mm的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-100和口徑為射步44*24 mm2的喇機開口構(gòu)成，整體高度為Z=30 mm; 所述雙極化通過對喇叭旋轉(zhuǎn)90°獲得天線的正交極化特性。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于各向異性超表面的雙極化多功能器件，其特征在于： 單波束-四波束雙極化高定向天線的單波束功能是指喇叭沿X方向極化時超表面實現(xiàn) 的高定向單波束輻射功能，由拋物相位梯度實現(xiàn)，具體地根據(jù)射線追蹤法和相位補償原理,式中《，/3分別代表各單元在超表面中的 橫、列位置，P為單元周期，A是工作波長，具體通過控制十字架水平貼片長度辦實現(xiàn)； 單波束-四波束雙極化高定向天線的四波束功能是指喇叭沿y方向極化時超表面實現(xiàn) 的高定向四波束輻射功能，其四波束相位梯度通過交替投影算法優(yōu)化得到，具體通過控制 十字架豎直貼片長度辦實現(xiàn)； 拋物梯度和四波束梯度均屬于二維梯度，h和辦在x、y方向均發(fā)生變化，同時微帶陣單 元結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)于x、y均軸呈軸對稱分布，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)為ρχ=Λ=8.3 mm，rx=_ry= 8 · Imm，c/i=c/2=0 · 25mm和Flmm; 波束偏折-四波束雙極化高定向天線的波束偏折功能是指喇叭沿x方向極化時超表面 實現(xiàn)的波束指向傾斜輻射功能，由線性相位梯度來實現(xiàn)，具體通過超單元沿X方向周期排列 組成，其中超單元由他個單元尺寸參數(shù)各不相同的各向異性超表面單元組成，其波束偏折 角度由0 = arcsin & / (JVj- 1)八計算得到，其中4為工作頻率處的波長;所述線性相位 梯度在IOGHz處為60°，超單元周期為49.8mm; 波束偏折-四波束雙極化高定向天線的四波束功能是指喇叭沿y方向極化時超表面實 現(xiàn)的高定向四波束輻射功能，與單波束-四波束雙極化高定向天線的四波束功能類似，只是 空間波束指向位置不同，四波束相位梯度同樣采用交替投影算法優(yōu)化得到； 在一個超周期內(nèi)，十字架水平貼片長度沿X方向依次為A=3.65mm，h=3.2mm，Jx= 2.6mm，辦=2.31mm，Λ=2. Imm和Λ=1.83mm，由于線性梯度僅在一個維度方向上，Λ沿y方向 保持不變而辦沿x、y方向均發(fā)生變化，超表面陣單元結(jié)構(gòu)參數(shù)h僅關(guān)于X軸呈軸對稱分布， 而辦關(guān)于x、y軸均呈軸對稱分布，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=A=8.3mm，rx=r y=8.1mm，c/i=c/2=0.25mm 和 Flmm05. -種如權(quán)利要求1-4之一所述的基于各向異性超表面的雙極化多功能器件的設(shè)計方 法，其特征在于具體步驟為： 第一步:根據(jù)正交極化下需要實現(xiàn)的電磁波調(diào)控功能，確定兩個極化下器件口徑上的 相位分布;對于： 實現(xiàn)高定向輻射時的拋物線/面梯度，m，n分 別代表各單元在超表面中的橫、列位置，P為單元周期長度，實現(xiàn)波束偏折時的線性梯度以 及實現(xiàn)均勻多波束的多波束相位梯度，這里拋物相位梯度和線性相位梯度直接由公式計算 得到，而多波束相位梯度根據(jù)交替投影算法優(yōu)化得到;為確定上述相位分布，要預(yù)定器件的 一些初始參數(shù)，包括饋源位置Z 7,中心工作頻率Λ，口徑大小P與單元個數(shù)四波束的空 間俯仰角蟻及方位角必； 第二步:合理設(shè)計正交極化不相關(guān)超表面單元結(jié)構(gòu)，使其滿足幅度一致性好以及360° 相位覆蓋； 首先確定極化不相關(guān)單元的反射正交分量組合，對于單波束-四波束雙極化器件，選擇 AG)，夂(0，&(>')和彖(X);而對于波束偏折-四波束雙極化器件，選擇，?,00和 A(J);然后根據(jù)確定的反射正交分量組合進(jìn)行單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得改變y方向上的單元尺 寸對灸以)和毛Cr)沒有影響，改變X方向上的單元尺寸對4 (>〇和A Cv)沒有影響； 第三步:對超表面單元進(jìn)行參數(shù)掃描分析，獲得單元反射相位隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系， 這里以中心工作頻率處的相位為參考，為提高后續(xù)結(jié)構(gòu)建模的精度需要對掃描反射相位分 別對頻率和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行二次樣條插值； 第四步:根據(jù)口徑相位分布以及單元相位隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系，獲得雙極化器件的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 由于（00、A(J)與易(H?之間具有很好的極化不相關(guān)性，可以對x、y方向尺寸 進(jìn)行獨立建模，方便設(shè)計并具有很高的設(shè)計自由度;方法是基于第三步得到的參數(shù)掃描結(jié) 果并采用尋根算法在商業(yè)仿真軟件里面進(jìn)行自動化超表面陣元建模，確定各陣元沿x、y方 向的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這里尋根算法以相位差值最小為依據(jù)進(jìn)行遍歷。
【文檔編號】H01Q15/24GK105932425SQ201610318574
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月14日
【發(fā)明人】許河秀, 蔡通, 王光明, 莊亞強
【申請人】中國人民解放軍空軍工程大學(xué)