基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法，SCSMS包括表面天线、射频电路，所述表面天线用于接收空间入射电磁波并传送耦合至背接射频电路，所述射频电路用于实现特定相位的梯度变化，通过所述表面天线将导行波回波信号辐射回自由空间。本发明专利技术提供了利用超表面控制入射电磁波电特性的新构思，通过表面天线将空间电磁波转换为导行波，再通过射频电路对导行波波进行调控，再将调控后的导行波辐射回自由空间，从而实现对空间电磁波的调控。基于该方法通过合理设计可以使SCSMS实现70度大旋转角的高效率异常反射；本发明专利技术所设计的SCSMS可以方便地应用于其他频率范围，如太赫兹和光学区域。如太赫兹和光学区域。如太赫兹和光学区域。

【技术实现步骤摘要】
基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法


[0001]本专利技术属于反射型超构电磁表面
，具体涉及一种基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法。

技术介绍

[0002]超表面(Metasurface,MS)，是一种由具有亚波长尺寸和周期晶格的人工结构单元组成的平面阵列结构，其具有独一无二的电磁波操纵特性，包括对振幅、相位和偏振自由度的调控，加上其低剖面、重量轻、成本低等特点，受到学界持续关注，应用前景广阔。目前，基于超表面已经产生了许多典型应用和功能，如聚焦、异常反射(折射)、RCS缩减等。在不同类型的超表面中，由于相位梯度超表面(Phase Gradient Metasurface,PGM)在控制电磁波的传播方向、修改光波前、产生异常反射(折射)现象和其他电磁波分布等方面具有显著特性，从而得到了广泛的研究，是超表面中一类重要的基础性、代表性工作。
[0003]传统的超表面通过表面阻抗与电磁波直接相互作用调控其特性，由于超表面局部非周期性，会引起相邻单元间非必要的电磁耦合，对超表面最终的电磁波调控效果产生额外的影响，特别是在需要大相位梯度变化时，会降低传统PGM对波束调控的效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：第一方面，本专利技术提供一种基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法，包括：
[0006]利用表面天线接收入射波并辐射反射波；
[0007]将表面天线与射频电路连接；
[0008]根据待设计的反射表面的梯度相位分布确定射频电路参数；
[0009]利用射频电路对电磁波特性进行调控。
[0010]第二方面，本专利技术还提出了一种能够实现大偏转角的高效率异常反射的SCSMS，包括：表面天线、射频电路，所述表面天线用于将接收到的入射电磁波并耦合传输至背接射频电路，所述射频电路用于实现全反射和特定反射相位的梯度变化，通过所述表面天线将导行波反射回波辐射回自由空间。
[0011]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：
[0012](1)本专利技术提供了一种利用超表面实现具有大偏转角的高效率异常反射的新构思，本专利技术在电路中对入射电磁波进行作用，通过电路控制反射表面的相位。避免了不必要的耦合，提高了异常反射效率；
[0013](2)本专利技术将射频电路的设计引入到反射超表面的设计中，增加了整体设计的自由度，在对空间电磁波控制的过程中融合了射频电路设计的优势；
[0014](3)本专利技术结构简单，所提出的SCSMS可以方便地应用于其他频率范围，如太赫兹
和光学区域。
[0015]下面结合附图对本专利技术做进一步详细的描述。
附图说明
[0016]图1为能够实现大偏转角的高效率异常反射的SCSMS示意图。
[0017]图2为能够实现大偏转角的高效率异常反射的SCSMS空间说明图。
[0018]图3为利用能够实现大偏转角的高效率异常反射的SCSMS单元结构示意图。
[0019]图4为SCSMS元件结构的天线效率仿真图。
[0020]图5为不同背载电路长度的反射SCSMS元件的模拟结果图。
[0021]图6为异常反射SCSMS整体结构设计图。
[0022]图7为理论需求与模拟结果沿x轴反射相位分布的比较图。
[0023]图8为在y极化斜20
°
入射条件下，SCSMS和金属板在21.5GHz处的RCS仿真结果图。
具体实施方式
[0024]本专利技术提出了一种基于表面
‑
电路
‑
表面型超表面(Surface
‑
Circuit
‑
SurfaceMetasurface,SCSMS)来实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法，如图1所示，该方法包括：
[0025]利用表面天线接收入射波并辐射反射波；
[0026]将表面天线与射频电路连接；
[0027]根据待设计的反射表面的梯度相位分布确定射频电路参数；
[0028]利用射频电路对电磁波特性进行调控。
[0029]进一步的实施例中，所述表面天线单元结构图案大小一致。
[0030]进一步的实施例中，根据待设计的反射表面的梯度相位分布确定射频电路参数的具体方法为：
[0031]根据所需工作的频带范围对周期边界条件下单元结构的天线效率进行仿真和优化，得到口径效率大于90％的单元表面天线结构。
[0032]根据仿真得到的单元射频电路终端开路情况下的单元结构反射特性，观察不同长度的背接射频电路对应的反射系数和相位分布，确定其满足反射率大于90％，相位变化范围覆盖360
°
的要求。在某些实施例中，满足反射系数和相位分布要求的频带可能较窄，需要根据实际仿真结果选择合适的工作频点。
[0033]根据待设计的SCSMS异常反射角度，确定SCSMS反射相位梯度分布。在某些实施例中，将工作频率换算为波长，根据Snell反射定律确定梯度相位分布。
[0034]根据所需相位梯度分布进行仿真，确定射频电路长度。在某些实施例中，通过改变射频电路长度可以获得各单元上不同的反射相位，通过仿真优化，确定尽量贴近理想反射相位的射频电路长度，可以接受5
°
以内的误差。
[0035]进一步的实施例中，所述射频电路利用导行波能量传输的局域性，消除了由非周期性引起的相邻单元间不必要的电磁耦合。
[0036]本专利技术还提供一种能够实现大偏转角的高效率异常反射的SCSMS，包括：表面天线、射频(RF)电路，所述表面天线用于将空间入射电磁波转换为导行波，将接收到的入射电
+l2)的过程中，反射系数大于
‑
0.7dB，相位变化覆盖360
°
。该仿真结果表明，所设计的反射式SCSMS单元能够满足所需的异常反射的要求。优化后的结构尺寸参数如图3，其中h1＝0.254mm,h2＝0.1mm,p＝5mm,a＝3.2mm,b1＝2.1mm,b2＝0.4mm,b3＝0.5mm,c1＝1.5mm,c2＝1.9mm,c3＝0.3mm,c4＝0.2mm,w1＝0.2mm,w2＝0.5mm。
[0046]参见图6，为异常反射SCSMS整体结构设计图。本实施例设计了一个由12
×
12单元组成的反射式SCSMS，用于在y极化20
°
斜入射情况下实现异常反射。为了实现反射角度为50
°
的异常反射，根据Snell反射公式：其中θ
r
表示异常反射角度，θ
i
表示入射角度，λ0表示波长，dφ/dx表示相位梯度波长，得到相邻元件之间的相位差应为146.26
°
。设计优化了12个基础单元(单元射频电路尺寸分别为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法，其特征在于，包括：利用表面天线接收入射波并辐射反射波；将表面天线与射频电路连接；根据待设计的反射表面的梯度相位分布确定射频电路参数；利用射频电路对电磁波特性进行调控。2.根据权利要求1所述的基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法，其特征在于，所述表面天线单元结构图案大小一致。3.根据权利要求1所述的基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法，其特征在于，根据待设计的反射表面的梯度相位分布确定射频电路参数，具体方法为：根据所需工作的频带范围对周期边界条件下单元结构的天线效率进行仿真和优化，得到口径效率大于90％的单元表面天线结构；根据仿真得到的单元射频电路终端开路情况下的单元结构反射特性，观察不同长度的背接射频电路对应的反射系数和相位分布，确定其满足反射率大于90％，相位变化范围覆盖360
°
的要求；根据所需要的异常折射角度，确定SCSMS反射相位梯度分布；根据所需相位梯度分布以及射频电路长度和相位延迟的关系，确定各个基本单元射频电路长度。4.根据权利要求3所述的基于SCSMS实现具有大偏转角的高效率异常反射的方法，其特征在于，所述SCSMS包括若干SCSMS单元结构，所述SCSMS单元结构包括：方形金属贴片、闵可夫斯基分形贴片、带H形槽的地板结构、射频电路、全金属结构，所述方形贴片和闵可夫斯基分形贴片均位于Rogers RO3003介质基板上堆叠起来，所述闵可夫斯基分形贴片通过带H形槽的地板结构连接到所述射频电路，射频电路采用带状线结构，上下金属基线和中间的相延线被Rogers RO3003介质基板分隔，不同介质基板间设置有粘合层Rogers 4450B，全金属结构位于最底端，作为带状线射频电路结构的上地板。5.根据权利要求4所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯芸芳，冯梦龙，李坤泽，司马博羽，宗志园，吴文，方大纲，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：