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CN110718762A - 一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面 - Google Patents

一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面。本发明通过在每个单元上引入预相位，解决了传统1比特超表面在对垂直入射平面波进行波束赋形时会出现对称波束的困难。本发明的1比特超表面利用有一定厚度的介质板，将1比特单元随机放置在两个不同高度的平面，实现相对的预相位差；1比特单元包括金属地和加载十字缝的方形贴片，通过四个矩形贴片连接被十字缝切割的方形贴片实现1比特两个状态之间的切换。本发明能够在平面波入射垂直入射的情况下实现单波束，引入的预相位在改变出射方向无需重新调整，只需切换1比特单元的状态。本发明具有宽带特性、可重构潜力、工程可实现性强等优点。

Description

一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面
技术领域
本发明基于目前应用广泛的1比特超表面，利用预相位和宽带1比特单元，给出了一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面的设计和实现方法，属于超表面技术领域。
背景技术
为了实现对平面电磁波的操控，可以对特定模式和频率下的平面波的传播进行控制的超表面近年来被广泛的研究。由于结构简单、易于设计、用较少的二极管就能够实现可重构，1比特超表面成为了重点研究和关注的超表面之一。然而，仅有两个状态的1比特超表面在对平面波进行单波束时，由于超表面上的相位是对称分布的，一般会在空间中出现偶数个对称的波束。在平面波垂直入射的情况下，1比特超表面单波束很难实现。
目前解决这一困难的方法是利用其单元可以四个状态切换的2比特超表面，实现超表面上的相位梯度分布，从而抑制对称波束的出现。但是2比特超表面的设计尤其是可重构2比特超表面的设计，会大大增加超表面结构设计和控制可重构的超表面电路系统设计的复杂度。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提供一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，以解决平面波垂直入射情况下，1比特超表面进行波束赋形时，难以实现单波束的困难。
技术方案：本发明所述的一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，通过在1比特超表面的每个单元上引入预相位，实现平面波垂直入射1比特超表面单波束。利用有一定厚度的介质板，将1比特单元随机放置在两个不同高度的平面，利用相对高度差实现相对预相位差。高度的选择取决于介质的介电常数和需要实现的预相位差。所述的1比特单元，包括金属地和加载十字缝的方形贴片，通过四个小矩形贴片连接被十字缝切割的大方形贴片实现1比特两个状态之间的切换，当被十字缝切割的方形贴片不连通时，1比特单元为状态0，当被十字缝切割的方形贴片连通时，1比特单元为状态1。通过两个状态的等效电路模型，在切换两个状态时可以在180°±25°相位差的条件下实现大于35％的相对带宽。单元可工作在TE和TM模式垂直入射的平面波，该单元有实现可重构1比特单元的潜力。
作为优选，所述超表面包括上层介质板，下层介质板，位于上层介质板上的若干加载十字缝的方形贴片，位于上下两层介质板中间的若干加载十字缝的方形贴片，以及底层的金属地板；两层介质板中间对应于上层介质板上的方形贴片位置处为单元金属地；上层介质板上的方形贴片和两层介质板中间的金属地构成顶层的1比特单元，上下两层介质板中间的方形贴片和底层的金属地构成中间层的1比特单元。
作为优选，两层1比特单元的高度差根据介质的介电常数和需要实现的预相位差选择。
作为优选，所实现上层单元和下层单元的预相位之差的范围为80°～100°。
作为优选，介质板厚度为约0.125个中心频率下的介质波长，实现约90°的预相位差。
作为优选，被十字缝切割的方形贴片由四个开关二极管(PIN)连接，实现可重构的1比特单元。
有益效果：本发明基于阵列综合原理引入预相位，实现平面波入射单波束；将单元随机放置在两种不同的高度上，利用高度差，实现预相位差；并基于电路模型，设计和优化1比特单元，完成了整个1比特超表面的设计。与现有的1比特超表面相比，本发明具有如下优点：
1)能够在平面波入射垂直入射的情况下实现单波束。引入的预相位在改变出射方向无需重新调整，只需切换1比特单元的状态。实现预相位的方法简单，工程易实现。
2)设计的1比特单元具有宽带特性、可重构潜力。单元结构简单，工程可实现性强。
附图说明
图1为传统1比特超表面的示意图；
图2为本发明的1比特单元两种状态的仿真模型示意图；(a)为状态0，(b)为状态1；
图3为本发明的1比特单元两种状态的电路模型；(a)为状态0，(b)为状态1；
图4为本发明的1比特单元两种状态的反射相位仿真结果图；
图5为本发明的波束赋形出射角为30°的1比特超表面3D透视图；
图6为本发明的波束赋形出射角为30°的1比特超表面的顶层单元分布图；
图7为本发明的波束赋形出射角为30°的1比特超表面的中间层单元分布图；
图8为本发明的波束赋形出射角为30°的1比特超表面的底层示意图；
图9为本发明的波束赋形出射角为30°的1比特超表面的侧视图；
图10为本发明的波束赋形出射角为15°(a)和0°(b)的1比特超表面的相位分布图；
图11为本发明的1比特超表面实物图；(a)、(b)、(c)分别为波束赋形出射角为0°、15°、30°的超表面；
图12为本发明的波束赋形出射角为30°的仿真和实测归一化雷达散射截面(RCS)结果图(TE模式垂直入射平面波，xoz平面)；
图13为本发明的波束赋形出射角为15°的仿真和实测归一化RCS结果图(TE模式垂直入射平面波，xoz平面)；
图14为本发明的波束赋形出射角为0°的仿真和实测归一化RCS结果图(TE模式垂直入射平面波，xoz平面)；
图15为本发明的波束赋形出射角为30°的仿真和实测归一化RCS结果图(TM模式垂直入射平面波，xoz平面)；
图16为本发明的波束赋形出射角为15°的仿真和实测归一化RCS结果图(TM模式垂直入射平面波，xoz平面)；
图17为本发明的波束赋形出射角为0°的仿真和实测归一化RCS结果图(TM模式垂直入射平面波，xoz平面)。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明通过在每个单元上引入预相位，解决了传统1比特超表面在对垂直入射平面波进行波束赋形时会出现对称波束的困难。给出了一种实现预相位的方法，即将单元放置在两种不同的高度上。并设计了一种宽带1比特单元，利用加载预相位的单元，实现了在不同方向上波束赋形的超表面。下面对本发明涉及的相关概念和结构做详细说明。
·预相位
简化的传统1比特超表面如图1所示，1是超表面；2是超表面上的1比特单元，有0和1两种状态，分别表示提供0°和180°相移；3表示垂直入射的平面波；4表示波束赋形的反射波。如图1所示，θ是出射方向和z轴的夹角。对于在xoz平面的波束赋形的1比特超表面，单元沿着y轴的相位分布一般不发生变化。对一个包含N×N个单元的超表面，沿着x轴的第k个阵元的总相位可以表达为：
Figure BDA0002203954580000041
这里，k＝1,2,..,N,d是相邻的单元间距(在本发明中d的取值为半个中心频率下的空气波长)，λ是空气波长。Φk是1比特单元提供的相位补偿：
Figure BDA0002203954580000042
按照阵列综合理论，传统1比特超表面在xoz平面的阵因子可以表示为
Figure BDA0002203954580000043
Φm,Φn是1比特单元提供的相位补偿。对于垂直入射平面波的传统1比特超表面，由公式(2)容易看出，这里的(Φm-Φn)只有三种情况，分别为-π,0,π。因此|AF1(θ)|是一个偶函数，即
Figure BDA0002203954580000044
这里
Figure BDA0002203954580000045
所以，传统1比特超表面在波束赋形时，一般会出现对称的波束。
现在引入一个预相位Ψs,，使得加入预相位的反射相位为
Figure BDA0002203954580000052
这里的Φs,k和Ψs,k分别表示第s行第k列单元的相位补偿和预相位，加入预相位的新的阵因子可以表达为
令Φs,k+Ψs,k＝Ωs,k，当每个单元的预相位在0和两个值中取值时，f(θ,m,n,s)可以表达为
Figure BDA0002203954580000055
此时的|AF2(θ)|可以是一个非奇非偶函数，所以引入两个预相位即可以实现单波束的波束赋形。从公式(7)到公式(8)可以看出，两个预相位差为90°的预相位设置，均可实现单波束赋形。实验仿真可以验证，在实际设计中，即使不能实现完美的90°预相位差，90°附近的预相位差也能够实现单波束赋型。但为了保证赋形后波束的副瓣性能，建议预相位差的范围取在80°～100°之间。
·1比特单元设计
1比特单元的主视图和侧视图如图2所示。(a)图是状态0的仿真模型，提供0°相位补偿，包括加载十字缝的方形贴片5，其边长约为半个中心频率下的介质波长；介质板7，本发明采用的是介电常数2.2的Taconic TLY作为介质板，介质厚度约为0.125个中心频率下的介质波长，选择这个厚度是为了后面引入预相位时，容易实现90°左右的预相位差；金属地板8。(b)图是状态1的仿真模型，提供180°相位补偿，包括加载十字缝的方形贴片6，方形贴片的边长与状态0的相同，中间用四个矩形小贴片将十字缝切割后的四个矩形贴片连接；介质板7；金属地板8。状态0和1之间的唯一区别是是否有四个矩形小贴片将十字缝切割后的四个矩形贴片连接。若将这四个贴片更换成四个PIN，则十分容易实现可重构单元。可基于等效电路模型和工作频率对单元尺寸进行优化，优化后的单元在切换状态时，可以实现35％的180°±25°相位差带宽。单元的相关尺寸见表1。两种状态的等效电路模型见图3，(a)图为状态0的等效电路模型，(b)图为状态1的等效电路模型，可以利用电路模型辅助优化单元尺寸。本发明的单元在表1的尺寸下，电路模型的相关参数为：L1＝0.11nH,L2＝0.09nH,L3＝0.33nH,C1＝14.94fF,C2＝44.65fF,C3＝32.36fF。仿真的反射相位和电路模型计算出的反射相位如图4所示。
表1图2中模型对应的参数值
参数 数值(mm) 参数 数值(mm) 参数 数值(mm)
l<sub>1</sub> 3.80 l<sub>2</sub> 3.15 l<sub>3</sub> 0.30
l<sub>4</sub> 0.15 l<sub>5</sub> 1.03 h 0.762
·预相位1比特超表面设计
本实施例将详细介绍波束赋形在30°出射的超表面的设计，其他角度的设计类比即可。波束赋形在30°出射的超表面的三维透视图如图5所示,包括：单元的金属地8，分布在顶层的单元9，介质板10，分布在中间层的单元11，方形金属地面12，以及安装塑料螺丝的定位孔13。图6-图9给出了该超表面的细节图，整个超表面包含：定位孔13、状态0的单元14、状态1的单元15、单元的金属地8、方形金属地面12、介质板10。从图中可以得到单元的状态分布和加在每个单元上的预相位。首先，将20*20个单元随机放置在高度差约为0.125个中心频率下的介质波长的两个平面，以实现约90°的相对预相位差，即可以通过上下两层单元的高度差，让入射波和出射波给两层单元带来两个有相对差值的预相位。可以理解为，顶层单元9的预相位是0°，中间层单元11的预相位是90°。然后，通过阵列综合理论计算出每个单元需要提供的相位补偿，从而确定选择哪种状态单元来提供相位补偿。图10的(a)和(b)分别给出了出射角在15°和0°的单元状态分布，16表示状态0,17表示状态1。波束的出射角为15°和0°的单元的预相位分布和30°出射的分布相同。为了实现相对的预相位差，超表面由两层相同大小但相对高度不同的介质板10组成。本发明的超表面的两层介质板10是分开加工的，并通过塑料螺丝和定位孔将其组合在一起。超表面实物图如图11所示。图12-图17给出了所设计的1比特超表面在垂直入射平面波下的相关仿真结果和实测结果。

Claims (6)

1.一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，其特征在于，所述超表面利用有一定厚度的介质板，将1比特单元随机放置在两个不同高度的平面，利用相对高度差实现相对预相位差；所述1比特单元包括金属地和加载十字缝的方形贴片，通过四个矩形贴片连接被十字缝切割的方形贴片实现1比特两个状态之间的切换，当被十字缝切割的方形贴片不连通时，1比特单元为状态0，当被十字缝切割的方形贴片连通时，1比特单元为状态1。
2.根据权利要求1所述的由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，其特征在于，所述超表面包括上层介质板，下层介质板，位于上层介质板上的若干加载十字缝的方形贴片，位于上下两层介质板中间的若干加载十字缝的方形贴片，以及底层的金属地板；两层介质板中间对应于上层介质板上的方形贴片位置处为单元金属地；上层介质板上的方形贴片和两层介质板中间的金属地构成顶层的1比特单元，上下两层介质板中间的方形贴片和底层的金属地构成中间层的1比特单元。
3.根据权利要求1所述的由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，其特征在于，两层1比特单元的高度差根据介质的介电常数和需要实现的预相位差选择。
4.根据权利要求1所述的由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，其特征在于，所实现上层单元和下层单元的预相位之差的范围为80°～100°。
5.根据权利要求1所述的由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，其特征在于，介质板厚度为0.125个中心频率下的介质波长，实现90°的预相位差。
6.根据权利要求1所述的由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，其特征在于，被十字缝切割的方形贴片由四个PIN连接，实现可重构的1比特单元。
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