編碼超構(gòu)表面實現(xiàn)雙波束獨立可重構(gòu)*

張娜 趙健民 陳克 趙俊明 姜田 馮一軍

(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210023)

近年來, 有源超構(gòu)表面因其對電磁波的靈活、動態(tài)調(diào)控而備受關(guān)注.本文設(shè)計并分析了一種有源可編程超構(gòu)表面單元, 并探討了其在雙波束、多波束獨立可重構(gòu)方面的應(yīng)用.理論分析了如何實現(xiàn)對稱雙波束、非對稱雙波束電磁波輻射以及多波束獨立可重構(gòu), 并對所設(shè)計的編碼超構(gòu)表面進(jìn)行仿真分析和實驗驗證.全波仿真結(jié)果表明, 超構(gòu)表面具有較好的輻射性能, 主瓣輻射方向與理論計算結(jié)果一致.作為實驗驗證, 我們加工了樣品并在標(biāo)準(zhǔn)微波暗室中進(jìn)行了測試.實驗測試與仿真分析結(jié)果吻合良好, 均表明該超構(gòu)表面在微波頻率能夠?qū)﹄p波束進(jìn)行獨立的動態(tài)調(diào)控, 且波束方向性較好.因而, 這種可編程超構(gòu)表面有望進(jìn)一步實現(xiàn)多通道信息傳輸, 并在無線通信系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景.

1 引 言

超構(gòu)表面是一種由亞波長單元結(jié)構(gòu)周期或非周期排布在二維平面上的人工復(fù)合電磁材料.通過對電磁波頻率、幅度、相位和極化等固有性質(zhì)的調(diào)控[1?5], 可實現(xiàn)異常反射[3]、電磁隱身[6]和漫反射[7]等功能, 在波束聚焦[8]、全息成像[9]和天線設(shè)計[10]等方面具有良好的應(yīng)用前景.相比于傳統(tǒng)的人工電磁材料, 超構(gòu)表面由于其厚度遠(yuǎn)小于工作波長, 可大大縮減電磁器件的厚度, 更有利于實現(xiàn)器件小型化、平面化、多樣化[11?14].

近年來, 隨著超構(gòu)表面研究的不斷深入, 采用全數(shù)字表征的編碼超構(gòu)表面為動態(tài)電磁波調(diào)控提供了新的機(jī)制和發(fā)展契機(jī)[15,16].這類超構(gòu)表面單元的電磁特性通常采用二進(jìn)制數(shù)字編碼的形式來表征, 即數(shù)字比特0和1, 因此可將編碼超構(gòu)表面與有源調(diào)控相結(jié)合, 通過在電磁超構(gòu)表面單元中加載二氧化釩[17]、石墨烯[18]、電可調(diào)二極管[19]等有源材料或元件的方式, 構(gòu)造具有動態(tài)電磁響應(yīng)的基本碼元.在此基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步與現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)或單片機(jī)控制電路相結(jié)合, 通過動態(tài)地控制數(shù)字硬件系統(tǒng)實時輸出高電平或低電平, 實現(xiàn)可編程超構(gòu)表面空間相位的動態(tài)可調(diào), 進(jìn)而實現(xiàn)電磁波近遠(yuǎn)場特性的實時、動態(tài)調(diào)控[15?19].相比于依靠單元尺寸變化來調(diào)控電磁響應(yīng)的無源超構(gòu)表面, 這種數(shù)字可調(diào)的設(shè)計思路提供了動態(tài)可調(diào)的相位響應(yīng), 打破了無源結(jié)構(gòu)中電磁功能一經(jīng)設(shè)計完成便很難或無法改變的設(shè)計局限, 不僅適用于反射型超構(gòu)表面設(shè)計, 還可以拓展至透射型超構(gòu)表面以及透/反型超構(gòu)表面進(jìn)行全空間散射場實時調(diào)控[20?23], 提高了電磁超構(gòu)表面的應(yīng)用范圍和功能利用效率.

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展, 人們對于通信速度和通信質(zhì)量的要求也日益提高, 能夠?qū)崿F(xiàn)多通道傳輸?shù)墓δ芷骷恢笔浅瑯?gòu)表面領(lǐng)域研究的熱點.在無線通信系統(tǒng)中, 多波束天線能夠?qū)Χ嗄繕?biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)同時覆蓋, 并利用空間波束隔離實現(xiàn)多通道傳輸, 有助于提高系統(tǒng)的通信容量.作為實現(xiàn)多波束天線技術(shù)的有效技術(shù)方案, 相控陣天線通過將陣列單元連接到不同的饋電端口形成相位或幅度控制來產(chǎn)生多波束, 利用空間波束復(fù)用實現(xiàn)多信道傳輸, 很大程度上提高了頻率利用效率[24].這種基于復(fù)雜移相器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高精度相位和幅度控制的相控陣天線性能穩(wěn)定, 波束調(diào)控靈活, 但是饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、成本較高, 同時存在體積較大的問題,不利于小型化平面化設(shè)計.相比于規(guī)模龐大的相控陣天線, 反射陣天線設(shè)計簡單、成本更低, 可結(jié)合具有相位調(diào)制特性的超構(gòu)表面單元, 利用幾何分區(qū)、口徑場疊加以及交替投影等方法實現(xiàn)多波束輻射[24,25], 波束調(diào)節(jié)方式更靈活.但是目前大多數(shù)現(xiàn)有的多波束反射陣天線主要由無源超構(gòu)表面單元組成, 單元電磁響應(yīng)固定, 一經(jīng)設(shè)計完成其功能也相對固定, 并不能實現(xiàn)動態(tài)的波束掃描, 無法滿足動態(tài)的用戶需求, 這在很大程度上限制了其在實際中的應(yīng)用[26,27].

在環(huán)境復(fù)雜化、應(yīng)用多樣化的發(fā)展需求之下,有源編碼超構(gòu)表面的提出為實現(xiàn)動態(tài)波束調(diào)控提供了新的實現(xiàn)方式.但是迄今為止, 基于有源超構(gòu)表面實現(xiàn)的反射陣天線大都僅能實現(xiàn)上半空間的單波束動態(tài)掃描, 或者受限于有源控制電路的設(shè)計問題以及多波束實現(xiàn)方法的局限性[24,25], 并不能實現(xiàn)任意的對稱、非對稱多波束動態(tài)調(diào)控.因此, 如何實現(xiàn)高效率、低成本、波束調(diào)控靈活的可編程多波束獨立調(diào)控超構(gòu)表面一直是多通道傳輸領(lǐng)域研究的難點.

本文基于1-比特編碼超構(gòu)表面提出了一種多波束獨立可重構(gòu)的設(shè)計思想, 并通過在超構(gòu)表面單元上加載PIN二極管與單片機(jī)控制電路相結(jié)合的方式, 實現(xiàn)了動態(tài)、獨立的多波束電磁波調(diào)控.該編碼超構(gòu)表面工作于微波X波段, 由14 × 14個編碼單元組成.其中, 每個單元的電磁響應(yīng)動態(tài)可調(diào), 由控制電路提供196路獨立電壓調(diào)控.仿真與測試結(jié)果表明, 編碼超構(gòu)表面可在上半空間實現(xiàn)靈活的波束設(shè)計, 能夠按照需求輻射多個獨立的、覆蓋不同角域的定向波束, 從而實現(xiàn)多信道電磁波傳輸, 為其進(jìn)一步在多輸入多輸出(multiple input multiple output, MIMO)通信系統(tǒng)中的研究奠定基礎(chǔ).

2 單元結(jié)構(gòu)仿真分析

為實現(xiàn)獨立、動態(tài)多波束電磁調(diào)控功能, 我們設(shè)計并研究了一個由三層金屬兩層介質(zhì)基板組成的反射型超構(gòu)表面單元, 如圖1(a)所示.該超單元由3 × 3個相同的子單元組成.為了清晰地表述結(jié)構(gòu)特征, 我們分別給出了三層金屬結(jié)構(gòu)的平面示意圖, 如圖1(b)—(d)所示.頂層金屬結(jié)構(gòu)采用“工”字型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).其中, “工”字型金屬結(jié)構(gòu)的中間截斷并焊接PIN二極管, 較長的金屬臂作為PIN二極管的負(fù)極與周圍單元相連, 而金屬臂較短的一端焊接PIN二極管的正極.作為正極的金屬臂上刻蝕直徑0.6 mm 的金屬通孔, 并穿過兩層介質(zhì)基板與底層的“田”字型饋電網(wǎng)絡(luò)相連接, 如圖1(d)所示.3×3個子單元工作于相同的狀態(tài), 作為超構(gòu)表面的一個獨立碼元.中間層金屬結(jié)構(gòu)(圖1(c))主要是為了保證編碼單元工作于反射模式.為實現(xiàn)單元獨立饋電, 在中間層金屬結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置上刻蝕掉直徑1 mm的金屬圓孔, 與作為直流饋電的金屬通孔實現(xiàn)有效電隔離.

圖1 (a) 超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)示意圖; (b)單元頂層金屬結(jié)構(gòu)示意圖; (c)單元中間層金屬結(jié)構(gòu)示意圖; (d)單元底層金屬結(jié)構(gòu)示意圖; (e) 單元結(jié)構(gòu)反射相位曲線; (f) 單元結(jié)構(gòu)反射幅度曲線Fig.1.(a) Schematic of the coding metasurface elements; (b) schematic of the top-layer of metal structure; (c) schematic of the middle-layer of metal structure; (d) schematic of the bottom-layer of metal structure; (e) reflection phases of the elements; (f) reflection amplitudes of the elements.

基于以上設(shè)計, 利用電磁仿真軟件CST Microwave StudioTM(CST)對單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電磁波全波仿真分析.仿真時, 單元周向采用周期性邊界條件, 縱向設(shè)為開放邊界.綜合考慮仿真結(jié)果及樣品制備要求, 最終得出單元的結(jié)構(gòu)參數(shù):單元周期p = 18 mm, 上層介質(zhì)基板厚度h = 3.0 mm,以及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)a = 0.5 mm, b = 1.3 mm, c =2.4 mm, l = 4.6 mm, w = 0.2 mm, w1= 0.2 mm.金屬結(jié)構(gòu)選用電導(dǎo)率為5.8 × 107S/m的銅, 兩層介質(zhì)基板均選用相對介電常數(shù)εr= 2.2的聚四氟乙烯, 損耗角正切tan δ = 0.001.PIN二極管型號為SMP1320-079LF, 仿真時利用等效電路模型模擬其開關(guān)(ON/OFF)狀態(tài), 進(jìn)而通過精細(xì)的諧振單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化來構(gòu)造1-比特編碼單元.具體地, 當(dāng)二極管工作于“ON”狀態(tài)時, 等效為電阻與電感的串聯(lián)形式, R = 0.5 Ω, L = 0.7 nH；當(dāng)二極管工作于“OFF”狀態(tài)時, 等效為電容與電感的串聯(lián)形式,L = 0.5 nH, C = 0.24 pF.需要注意的是, 1-比特編碼通常有0o和180o兩種反射相位, 但這并不代表單元的絕對反射相位, 而是指兩種單元狀態(tài)之間的相位差滿足180°即可實現(xiàn)1-比特編碼超構(gòu)表面.

單元結(jié)構(gòu)的反射相位與反射幅度曲線分別如圖1(e)和圖1(f)所示.此時在工作頻點9 GHz處,“1”和“0”兩種碼元近似滿足相位差180o, 且反射幅度均大于0.95, 因此能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電磁相位調(diào)控.此外, 編碼超構(gòu)表面研究中, 我們通常只關(guān)注相位差滿足180o的頻點, 而在實際應(yīng)用中, 當(dāng)反射相位差處于180o ± 20o范圍內(nèi)時, 編碼超構(gòu)表面都能正常工作.

3 理論分析

在超構(gòu)表面單元研究與設(shè)計的基礎(chǔ)上, 將進(jìn)一步驗證其對雙波束、多波束的動態(tài)電磁波調(diào)控功能, 并結(jié)合反射陣天線理論分析獨立雙波束、多波束的產(chǎn)生方法, 最終形成多波束獨立調(diào)控的可編程超構(gòu)表面天線.如圖2(a)所示, 假設(shè)可編程超構(gòu)表面由M × N個單元組成, 以超構(gòu)表面的幾何中心為坐標(biāo)原點.平面波入射條件下, 為實現(xiàn)波束定向輻射(θ0, φ0), 超構(gòu)表面第(m, n)單元的相位分布需滿足[10]:

圖2 (a) 超構(gòu)表面波束調(diào)控示意圖; (b) 雙波束(30o, 0o)和(20o, 180o)離散相位分布圖; (c) 雙波束(30o, 0o)和(20o, 180o)u-v平面歸一化遠(yuǎn)場方向圖( u =sinθcos?,v=sinθsin? )Fig.2.(a) Schematic of the metasurface for three-dimension beam-control; (b) the calculated discretized phase distributions for the radiation directions of (30o, 0o) and (20o, 180o); (c) the calculated normalized radiation patterns in uv-plane ( u =sinθcos? ,v=sinθsin?).

其中(xm, yn)表示超構(gòu)表面第(m, n)單元的坐標(biāo)位置; θ0為波束俯仰角(輻射方向與 + z方向的夾角); φ0為波束方位角(輻射方向在xoy-平面投影與 + x方向的夾角).波數(shù)k0與自由空間工作波長λ相關(guān), 可以表示為k0= 2π/λ.

為實現(xiàn)1-比特編碼超構(gòu)表面設(shè)計, 需要對(1)式計算得到的連續(xù)梯度相位進(jìn)行離散化處理.然而離散化過程中, 1-比特編碼超構(gòu)表面在平面電磁波照射條件下不能實現(xiàn)單波束掃描, 不可避免地會在主波束對稱位置產(chǎn)生一個寄生波束.因此, 為了利用1-比特編碼超構(gòu)表面實現(xiàn)獨立雙波束調(diào)控,將利用開口波導(dǎo)作為激勵, 預(yù)先在梯度相位上引入額外的饋源補償相位以實現(xiàn)多種波束賦形.開口波導(dǎo)置于超構(gòu)表面的幾何中心上方, 焦距為F.饋源補償相位用來補償由于各單元到饋源相位中心距離不同造成的相位差, 可以表示為

其中dm, n表示饋源到第(m, n)單元的距離.綜合考慮波束賦形需要的梯度相位以及引入的饋源補償相位, 最終第(m, n)單元的連續(xù)相位分布可表示為

這里, ? φ 為初始相位, 是一個常量, 用于補償不同相位離散方法帶來的誤差.在1-比特單波束賦形的基礎(chǔ)上, 可進(jìn)一步利用場疊加原理進(jìn)行獨立多波束設(shè)計.具體來說, 對于N個不同的定向波束, 通過相位復(fù)相加運算獲得口徑面上的相位分布[24]:

為了驗證該方法, 設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)獨立雙波束調(diào)控的可編程編碼超構(gòu)表面并進(jìn)行理論計算.X波段標(biāo)準(zhǔn)開口波導(dǎo)(BJ100)作為激勵, 此時超構(gòu)表面的遠(yuǎn)場方向圖函數(shù)可表示為[28]

其中 Γmn為單元反射系數(shù), 包含幅度與相位;Emn(θ,φ)=cosqeθ 為單元因子,Fθf(m,n)=cosqfθf為饋源坐標(biāo)系下的饋源方向圖函數(shù), 均按照經(jīng)典的天線陣?yán)碚摬捎胵模型來近似模擬其遠(yuǎn)場方向圖幅度分布.這里以雙波束(30o, 0o), (20o, 180o)為例簡述設(shè)計過程.首先, 根據(jù)(1)—(4)式計算獨立雙波束輻射所需的反射相位分布, 包含梯度相位以及饋源補償相位; 然后, 進(jìn)行1-比特離散化處理,離散后的編碼相位分布如圖2(b)所示; 最后, 將離散后的單元反射相位代入(6)式, 進(jìn)行遠(yuǎn)場方向圖計算, 計算結(jié)果如圖2(c)所示.計算過程中將球坐標(biāo)系與u-v坐標(biāo)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換( u =sinθcos? ,v=sinθsin?).理論計算結(jié)果顯示, 9 GHz 時超構(gòu)表面產(chǎn)生了兩個非對稱的獨立波束, 且具有較低的副瓣.此時波束輻射角度與預(yù)設(shè)角度吻合, 這說明相位經(jīng)1-比特離散后, 仍然具有較好的輻射性能,證明了1-比特獨立多波束設(shè)計方法的可行性.

4 編碼超構(gòu)表面仿真分析

在無線通信系統(tǒng)中, 每個波束都可視為一個獨立的信道, 設(shè)計能夠覆蓋多角度區(qū)域的超構(gòu)表面是實現(xiàn)多信道傳輸?shù)年P(guān)鍵.本文將反射陣天線理論與編碼超構(gòu)表面相結(jié)合, 通過在超構(gòu)表面單元中加載有源元件并與單片機(jī)控制電路相結(jié)合, 設(shè)計了一種可在空間上進(jìn)行任意獨立波束調(diào)控的可編程超構(gòu)表面.

超構(gòu)表面由14 × 14個可進(jìn)行獨立相位調(diào)制的基本編碼單元組成, 陣元尺寸252 mm ×252 mm.考慮到饋電網(wǎng)絡(luò)以及安裝固定, 在陣面周圍預(yù)留了一定的空間, 最終設(shè)計完成的超構(gòu)表面總尺寸為270 mm × 280 mm.通過合理排布直流饋電網(wǎng)絡(luò), 并結(jié)合單片機(jī)控制電路, 來實現(xiàn)對電可調(diào)元件的實時調(diào)控, 進(jìn)而實現(xiàn)動態(tài)波束掃描功能.超構(gòu)表面設(shè)計時以X波段的標(biāo)準(zhǔn)開口波導(dǎo)天線(BJ100)作為饋源, 焦距F = 150 mm.利用商用軟件CST進(jìn)行全波電磁仿真驗證.仿真時, 四周邊界條件設(shè)為開放邊界, 電場極化方向沿x方向.首先利用超構(gòu)表面實現(xiàn)了對稱雙波束設(shè)計, 如圖3(a)和圖3(b)所示, 編碼圖案中的藍(lán)色與黃色分別代表“0”和“1”兩種碼元.通過優(yōu)化編碼序列, 超構(gòu)表面可在不同的二維平面上分別產(chǎn)生對稱雙波束, 并且改變編碼圖案, 雙波束在二維平面內(nèi)的波束輻射角度θ會同時發(fā)生改變, 實現(xiàn)動態(tài)的對稱波束掃描功能.圖3(c)和圖3(d)給出了超構(gòu)表面在xoz-平面以及yoz-平面內(nèi)的二維歸一化遠(yuǎn)場方向圖的仿真結(jié)果, 此時雙波束的偏折角度依次為 ±10o,±20o, ±28.5o, ±38o, 與波束預(yù)設(shè)結(jié)果 ±10o, ±20o,±30o, ±40o基本吻合.角度的誤差主要是由于相位離散誤差以及單元間耦合造成的.此外, 由于饋源波導(dǎo)E面(E-plane)與H面(H-plane)輻射方向圖的不對稱性, 使得超構(gòu)表面在xoz-平面和yoz-平面上遠(yuǎn)場仿真結(jié)果存在差異, 但是這并不影響超構(gòu)表面的輻射性能, 所設(shè)計超構(gòu)表面仍然在xoz-平面和yoz-平面內(nèi)具有對稱雙波束輻射的能力.

圖3 (a) 超構(gòu)表面在xoz-平面實現(xiàn)對稱雙波束掃描功能示意圖; (b) 超構(gòu)表面在yoz-平面實現(xiàn)對稱雙波束掃描功能示意圖;(c) 超構(gòu)表面在xoz-平面上的遠(yuǎn)場仿真結(jié)果; (d) 超構(gòu)表面在yoz-平面上的遠(yuǎn)場仿真結(jié)果Fig.3.(a) Schematic of the symmetric-beam scanning of the metasurface in xoz-plane; (b) schematic of the symmetric-beam scanning of the metasurface in yoz-plane; (c) the simulated radiation patterns of the metasurface in xoz-plane; (d) the simulated radiation patterns of the metasurface in yoz-plane.

為進(jìn)一步證明該超構(gòu)表面對電磁波的調(diào)控能力, 將以上研究內(nèi)容拓展至任意非對稱雙波束動態(tài)賦形, 并且在雙波束功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了多波束的動態(tài)產(chǎn)生.圖4為所設(shè)計的幾種典型波束分布方式及其三維遠(yuǎn)場方向圖仿真結(jié)果.其中, 編碼圖案中黃色和藍(lán)色分別代表 “1”和“0”兩種基本編碼單元.第3節(jié)的仿真分析中, 利用超構(gòu)表面實現(xiàn)了二維平面內(nèi)(xoz-平面或yoz-平面)的對稱波束掃描功能.這里, 將利用超構(gòu)表面實現(xiàn)在兩個正交平面內(nèi)的獨立雙波束調(diào)控.如圖4(a)和圖4(b)所示, 超構(gòu)表面可在xoz與yoz兩個正交平面內(nèi)實現(xiàn)對稱以及非對稱的波束調(diào)控.波束輻射方向(θ, φ)分別設(shè)計在(20o, 0o), (20o, 90o)和(20o, 180o), (30o, 270o).基于真實的超構(gòu)表面單元, 利用全波仿真軟件CST得到了超構(gòu)表面的三維遠(yuǎn)場方向圖.仿真結(jié)果顯示, 波束的主瓣方向分別在(20o, 0o), (20o,90o)和(19o, 180o), (30o, 270o), 與預(yù)設(shè)結(jié)果基本吻合, 即我們所設(shè)計的超構(gòu)表面理論上可在方位角(φ)維度上進(jìn)行任意的波束調(diào)控.圖4(c)和圖4(d)探索了超構(gòu)表面在俯仰角(θ)維度上的波束調(diào)控.在有限尺寸條件下, 通過編碼優(yōu)化, 可實現(xiàn)不同俯仰角度上的獨立雙波束輻射.作為示例, 這里設(shè)計的雙波束主瓣方向分別在(30o, 0o), (20o, 180o)以及(0o, 0o), (11o, 0o).雙波束產(chǎn)生時, 隨偏折角度θ增大, 主瓣增益減小明顯.因此在理論計算過程中, 引入了優(yōu)化算法, 通過對編碼序列進(jìn)行優(yōu)化以提高不同角度上波束輻射能量的均勻度.仿真結(jié)果顯示, 編碼經(jīng)優(yōu)化后波束輻射方向與理論預(yù)測結(jié)果基本保持一致, 且雙波束主瓣增益相當(dāng), 副瓣較低,具有較好的定向性.

圖4 超構(gòu)表面非對稱波束設(shè)計的遠(yuǎn)場仿真結(jié)果圖.波束輻 射 方 向 (θ, φ)依次 為 (a) (20o, 0o), (20o, 90o); (b) (19o,180o), (30o, 270o); (c) (30o, 0o), (20o, 180o); (d) (0o, 0o),(11o, 0o); (e) (19o, 180o), (9o, 180o), (11o, 0o); (f) (28o, 180o),(5o, 0o), (32o, 0o)Fig.4.The simulated three-dimension radiation patterns of asymmetric-beam control of the metasurface.The radiation angles (θ, φ) are: (a) (20o, 0o), (20o, 90o); (b) (19o, 180o),(30o, 270o); (c) (30o, 0o), (20o, 180o); (d) (0o, 0o), (10o, 0o);(e) (19o, 180o), (9o, 180o), (11o, 0o); (f) (28o, 180o), (5o, 0o),(32o, 0o), respectively.

在雙波束調(diào)控的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步探索了多波束動態(tài)產(chǎn)生的可能性.根據(jù)(4)式, 理論上通過合理設(shè)計超構(gòu)表面可實現(xiàn)任意多波束設(shè)計, 但實際應(yīng)用中多波束性能會受到所設(shè)計超構(gòu)表面有限口徑大小(陣元數(shù)目)的影響.為保證超構(gòu)表面的輻射性能, 這里僅給出了獨立三波束設(shè)計作為探索多波束動態(tài)調(diào)控的實例.首先根據(jù)(4)式計算得到相應(yīng)的連續(xù)相位并進(jìn)行1-比特離散化處理, 然后按照離散相位分布進(jìn)行超構(gòu)表面排布, 最終利用全波仿真軟件進(jìn)行電磁仿真分析.仿真得到的三維遠(yuǎn)場方向圖分別如圖4(e)和圖4(f)所示, 波束輻射方向(θ, φ)依次在(19o, 180o), (9o, 180o), (11o, 0o)及(28o, 180o),(5o, 0o), (32o, 0o), 三波束主瓣增益相差不大且無明顯副瓣, 具有較好的輻射性能.作為驗證, 這里僅給出了超構(gòu)表面在xoz-平面上的任意三波束設(shè)計.事實上, 通過合理的擴(kuò)大陣元數(shù)目, 結(jié)合優(yōu)化算法, 可利用超構(gòu)表面在上半空間進(jìn)行任意獨立的多波束動態(tài)調(diào)控.

5 編碼超構(gòu)表面實驗驗證

在理論與仿真分析結(jié)果的基礎(chǔ)上, 利用平面印刷電路板技術(shù)加工制作了樣品, 如圖5(a)所示.介質(zhì)基板選用相對介電常數(shù)2.2的聚四氟乙烯, 雙層介質(zhì)基板壓合后樣品總厚度3.404 mm.樣品由14 ×14個單元組成, 加載的二極管型號為SMP1320-079LF.為實現(xiàn)有效的電磁調(diào)控, 在陣元周圍預(yù)留空間進(jìn)行直流饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計, 最終制備的樣品總尺寸270 mm × 280 mm.超構(gòu)表面每個單元電磁響應(yīng)獨立可調(diào), 由控制電路提供196路獨立電壓調(diào)控.具體地, 超構(gòu)表面與控制電路通過直流饋電網(wǎng)絡(luò)相連接, 利用計算機(jī)向控制電路發(fā)送可實現(xiàn)不同電磁功能的編碼信息, 實時、動態(tài)地改變可編程超構(gòu)表面單元中電可調(diào)元件的工作狀態(tài), 以實現(xiàn)對單元反射相位的實時調(diào)控進(jìn)而實現(xiàn)獨立多波束調(diào)控.

圖5 (a) 超構(gòu)表面樣品圖; (b)?(i) 超構(gòu)表面獨立波束設(shè)計遠(yuǎn)場測試結(jié)果圖.超構(gòu)表面實現(xiàn)對稱雙波束掃描功能的測試結(jié)果圖,分別在 (b) xoz-平面與(c) yoz-平面; 超構(gòu)表面非對稱獨立波束設(shè)計的測試結(jié)果圖, 波束輻射方向 (θ, φ)依次為 (d) (20o, 0o), (20o,90o); (e) (19o, 180o), (30o, 270o); (f) (30o, 0o), (20o, 180o); (g) (0o, 0o), (11o, 0o); (h) (19o, 180o), (9o, 180o), (11o, 0o); (i) (28o, 180o),(5o, 0o), (32o, 0o)Fig.5.(a) Photograph of the fabricated metasurface; (b)?(i) the measurement results of the metasurface.measurement results of symmetric-beam scanning in (b) xoz-plane and (c) yoz-plane; measurement results of asymmetric-beam control of the metasurface,and the radiation angles (θ, φ) are (d) (20o, 0o), (20o, 90o); (e) (19o, 180o), (30o, 270o); (f) (30o, 0o), (20o, 180o); (g) (0o, 0o), (11o,0o); (h) (19o, 180o), (9o, 180o), (11o, 0o); (i) (28o, 180o), (5o, 0o), (32o, 0o), respectively.

在標(biāo)準(zhǔn)微波暗室中對樣品進(jìn)行了測試.測試過程中, 利用支架將饋源天線置于超構(gòu)表面的幾何中心, 焦距F = 150 mm.寬帶雙脊喇叭天線置于遠(yuǎn)場區(qū)作為接收天線.圖5(b)和圖5(c)給出了超構(gòu)表面在xoz-平面以及yoz-平面上俯仰角 ± 40o方向內(nèi)的波束調(diào)控結(jié)果, 角度間隔為10o.實驗測試結(jié)果顯示波束輻射情況與仿真結(jié)果基本吻合, 輻射角度與理論計算結(jié)果保持一致, 證明了超構(gòu)表面對稱雙波束調(diào)控的能力.旁瓣區(qū)域的誤差主要是由于邊緣效應(yīng)以及加工誤差等因素造成的, 尤其是在電路連接過程中, 加載的電路連接裝置也會對超構(gòu)表面的輻射性能產(chǎn)生一定的影響.為了進(jìn)一步驗證該超構(gòu)表面獨立雙波束調(diào)控的能力, 除了對稱雙波束的測試, 還對圖4中設(shè)計的非對稱獨立波束進(jìn)行了測試, 分別如圖5(d)—(i)所示, 測試結(jié)果與仿真結(jié)果(圖4(a)—(f))一一對應(yīng).由于圖4(a)和圖4(b)中設(shè)計的獨立雙波束分別輻射在xoz與yoz兩個正交平面內(nèi), 因此測試時為了更好地體現(xiàn)波束的性能分別測試了超構(gòu)表面在φ=0o (xoz-平面)與φ=90o (yoz-平面)兩個正交平面內(nèi)的歸一化遠(yuǎn)場方向圖(圖5(d)和圖5(e)), 其余給出了超構(gòu)表面xoz-平面內(nèi)的遠(yuǎn)場測試結(jié)果, 包含同極化以及交叉極化, 如圖5(d)—(i)所示.測試結(jié)果顯示, 波束主瓣與仿真結(jié)果吻合良好, 由于加工精度以及焊接等原因旁瓣區(qū)域存在一定的測試誤差, 但并不影響超構(gòu)表面整體的輻射性能, 充分驗證了該超構(gòu)表面功能的有效性.結(jié)果表明, 我們設(shè)計的1-比特編碼超構(gòu)表面可在上半空間進(jìn)行獨立的雙波束動態(tài)調(diào)控,并且在有限陣面尺寸下產(chǎn)生的獨立三波束仍然能夠保持良好的性能, 具有多波束獨立調(diào)控的潛力,可應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)以滿足同一時刻多用戶同時使用的需求.

6 結(jié) 論

本文基于電可調(diào)的實現(xiàn)方式設(shè)計了有源可編程超構(gòu)表面, 并將其應(yīng)用于雙波束、多波束電磁波獨立動態(tài)調(diào)控, 提出了一種利用1-比特編碼超構(gòu)表面實現(xiàn)多波束動態(tài)調(diào)控的方法, 豐富了有源編碼超構(gòu)表面的研究內(nèi)容.具體地, 超構(gòu)表面由加載PIN二極管的電磁諧振單元組成, 每個單元通過直流饋電網(wǎng)絡(luò)與控制電路相連, 可獨立調(diào)控.因此,利用計算機(jī)實時改變控制電路的輸出電壓即可實現(xiàn)對可調(diào)單元反射相位狀態(tài)的動態(tài)切換, 進(jìn)而實現(xiàn)超構(gòu)表面電磁功能的實時調(diào)控.通過編碼優(yōu)化, 實現(xiàn)了對稱雙波束、非對稱雙波束產(chǎn)生, 并且在有限陣面尺寸下實現(xiàn)了多波束動態(tài)調(diào)控.仿真分析表明超構(gòu)表面的輻射波束主瓣增益均勻、副瓣較低, 具有較好的定向性.實驗測試與仿真分析結(jié)果吻合良好, 證明了該編碼超構(gòu)表面對雙波束、多波束獨立電磁波調(diào)控的能力.這種獨立動態(tài)多波束調(diào)控的設(shè)計方案為多通道信息傳輸提供了新的設(shè)計思路, 并且可拓展至透射型以及透/反型超構(gòu)表面設(shè)計以實現(xiàn)全空間復(fù)雜電磁調(diào)控, 有利于增加信道容量, 在動態(tài)信號傳輸、天線設(shè)計以及無線通信系統(tǒng)中都具有較大的應(yīng)用潛力.