2 比特激励编码超构表面的辐射与散射调控

李思佳 韩博文 黄国帅 李卓越 曹祥玉

（1. 空军工程大学信息与导航学院，西安 710077；2. 东南大学 毫米波国家重点实验室，南京 210096）

引 言

超构表面(metasurface, MS)是由亚波长周期性单元排列组成的二维超构材料，具有如负折射、超高折射率、波前调控、极化控制、电磁波吸收[1-5]等自然物质所不具备的超常电磁特性. 相较于传统超构材料，MS 具有重量更轻、损耗更小、剖面更低的优点. 近年来，根据MS 的特性设计出了各式各样的先进微波器件，如吸波材料、极化转换器、频率选择表面等[6-9]，因此MS 有着巨大的发展潜力和空间.

2014 年“数字编码超材料”的提出[10]为MS 数字化、智能化发展注入了新的活力. 相比传统等效媒质理论的“媒质超材料”，编码超材料对电磁波的调控功能直接取决于数字化超材料的编码序列，通过精心设计编码序列即可将其远区散射波束朝着设计方向任意偏转，同时不同码字单元的切换直接通过FPGA 控制超材料结构实现，且智能优化算法更为不同散射波束超材料的设计提供了快速方法. 这一全新理念极大简化了设计流程和操控难度，更为散射波束的实时调控提供了有效途径. 随后，数字编码超材料或MS 的研究范围得到扩展，不同结构构成的数字编码MS 也得到广泛关注. 为了更加快速地获得特定散射场对应的布阵形式，K. Wang 等学者[11]运用混合优化算法，提高了运算速度，获得了宽带宽角度MS. 作者所在的课题组采用各向异性单元，综合遗传算法实现了漫散射MS[12]. 这些方法的提出都为MS 的电磁波控制提供了更有效的方法，同时也推进了数字编码MS 的应用[13-16]. 2019 年Janus MS 的提出[17]，有效地实现了相反方向上的不同电磁波成相效果. 这些成果的出现为辐射、散射一体化MS 设计奠定了技术基础[18-19].

为实现多功能MS，并解决电磁波辐射与散射的一体化控制问题，将分形磁电偶极子天线结构和极化控制MS 单元结构有机融合，通过结构变换和数字编码，通过同一结构的旋转提出了2 比特激励数字编码MS，设计了其拓扑结构，并仿真和实验验证了其多功能特性. 实验结果表明：该MS 实现了电磁波散射控制、多波束辐射和轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)波束生成.

1 2 比特激励编码MS

设计的2 比特激励编码MS 具体功能和单元结构如图1 所示. 该MS 的基础单元是将分形磁电偶极子结构和极化控制MS 单元结构有机融合，构建出2 比特激励编码MS 单元；通过结构变换和数字编码，根据控制电磁波极化的开口环与分形磁电偶极子单元馈电位置的不同，形成2 比特MS 的四个单元结构，具体为“0”单元、“1”单元、“2”单元和“3”单元的结构.

图1 2 比特激励编码MS 的不同功能、不同数字单元结构和分布矩阵示意图Fig. 1 Schematic diagram of different functions,different digital cell structures and distribution matrix of two-bit coding-feeding metasurface

MS 单元结构由中间介质层、金属开口环和分形贴片、矩形激励贴片、8 个金属过孔、底层金属底板以及馈电结构组成，如图2 所示. 顶层的分形贴片、矩形激励贴片、SMA(sub-miniature-a) 馈电端口和8 个金属过孔，以及底层金属底板以及馈电结构形成了磁电偶极子结构，能够辐射电磁波；顶层金属开口环可以实现电磁波极化的有效调控，通过棋盘布阵可以控制散射电磁波. 介质为Rogers Ultralam 1300，其介电常数为3、厚度为4 mm，单元周期为20 mm.利用CST 软件对多功能2 比特MS 进行参数优化，经优化后其他相关参数具体如下：l1=10.5 mm,l2=1.86 mm,l3=13.2 mm,a1=1.6 mm,a2=2.4 mm. 多功能2 比特MS 的编码矩阵为：000111000111000111/....../333222333222333222. 整个多功能2 比特MS 呈现棋盘结构布阵的形式.

图2 MS 单元的透视图和背视图Fig. 2 Perspective view and back view of unit for codingfeeding metasurface

2 辐射与散射的仿真分析

利用CST 对多功能2 比特MS 单元进行仿真，由于“1”单元、“2”单元和“3”单元是“0”单元分别旋转90°、180°和270°得到的，所以具有相同的辐射特性. MS 单元的反射特性和辐射特性仿真结果如图3 所示. 图中x、y分别表示x极化和y极化的电磁波. 根据图1 中不同单元的结构可知，“0”单元和“2”单元反射系数幅度仿真曲线结果相同，“1”单元和“3”单元反射系数幅度仿真曲线结果相同. 由图3(a)和3(b) 可知，MS 的“0”单元和“2”单元能够在4.7～6.1 GHz、8.9～9.2 GHz 和10.9～11.2 GHz 实现同极化反射系数小于-10 dB，交叉极化反射系数接近于0 dB，在5.7 GHz、9.05 GHz 和11.13 GHz 形成了三个极化转换峰，表明在这三个频段范围内MS 实现了电磁波极化转换. “0”单元与“1”单元反射系数变化趋势一致，只是由于结构旋转的关系，极化发生变化. 由图3(c) 可知，该MS 单元在6.47～7.50 GHz和10.63 ～10.74 GHz 双频段内|S11|小于-10 dB，在6.68 GHz、7.1 GHz 和10.7 GHz 出现了|S11|最小结果，仿真结果表明MS 具有双频段的阻抗匹配效果.图3(d) 给出的是5.7 GHz、 6.68 GHz、 7.1 GHz、9.05 GHz、10.7 GHz 和11.13 GHz 的电场能量密度分布，可以看出，在辐射谐振频率为6.68 GHz 和7.1 GHz时，电场在分形辐射贴片、矩形激励贴片和金属过孔周围较强，在10.7 GHz 时辐射主要由分形辐射贴片形成；在5.7 GHz 时反射波的极化控制主要是由顶层金属开口环决定；在9.05 GHz 和11.13 GHz 时电场较强区域主要集中在分形辐射贴片与金属开口环距离最近的地方，说明该频率下的极化转换主要是由结构之间的耦合形成的. 通过对比能够发现低频的极化控制主要是由金属开口环决定，高频的极化控制主要由不同结构之间的耦合形成. 从图3(e) “0”单元7.1 GHz 金属结构的电流分布可知，金属过孔和金属地以及馈电结构形成了磁偶极子，四个分形贴片构成了电偶极子. 从图3(f)可知可激励MS 的“0”单元在7.1 GHz 具有较好辐射波束.

图3 可激励编码MS 反射特性和辐射特性仿真结果Fig. 3 Simulation results of reflection and radiation characteristics of coding-feeding metasurface

将“0”单元、“1”单元、“2”单元和“3”单元分别组成3×3 的子阵列，然后根据分布矩阵通过棋盘式的布阵形成2 比特可激励数字编码MS，利用CST电磁软件仿真激励编码MS 的辐射和散射性能，结果如图4 和图5 所示. 从图4(a) 不同极化下MS 的雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩仿真与测试结果可知，MS 在5～12 GHz 均有RCS 减缩效果，在5.7 GHz、8.95 GHz 和11.13 GHz 获得三个RCS 减缩峰，最大减缩量为32.6 dB. 通过图4(b)中散射场分布可知，MS 改变了近区电场分布. 图4(c) 和(d) 给出了xoz和yoz面MS 二维散射波束，可以看出在0～15°内的散射波束抑制效果十分明显. 从2 比特MS散射仿真结果可以看出，所设计MS 在5～12 GHz 宽频带范围内能够获得明显RCS 减缩，在5.7 GHz 获得了最大减缩量，超过32 dB.

图4 2 比特MS 的散射性能仿真结果及其对比Fig. 4 Simulation scattering results and comparison of two-bit for MS performance

从图5(a)、(b) 的辐射方向图可知，与传统1 比特MS 相比，所设计的2 比特MS 当等幅同相激励时可以产生垂直极化的四波束辐射，在7.1 GHz 时的增益保持在18.2 dB，10.7 GHz 时增益为21.2 dB. 同时MS 能够在主辐射方向保持较低的交叉极化，且E 面和H 面的一致性较好. 对中心的四个“0”单元进行0°、90°、180°和270°在7.1 GHz 顺时针增加相位的激励馈电时，所提出的激励编码MS 能够形成1 模态的OAM 波束，通过图5(c)的近区电场幅度和相位分布验证了1 模态OAM 的产生.

图5 2 比特MS 的辐射特性仿真结果Fig. 5 Simulation radiation results and comparison of two-bit coding-feeding metasurface

3 加工与性能测试分析

为进一步验证所设计的2 比特MS 的散射和辐射的正确性，加工了2 比特MS 样件，并进行了焊接和相关测试. 如图6(a)所示，OAM 电场的近区测试距离为0.2 m，与仿真距离保持一致. 从图6(b)的2 比特MS 测试结果可以看出，设计的2 比特MS 单元在4.75 ～6.08 GHz、8.94 ～9.16 GHz 和10.85～11.2 GHz 实现了极化旋转控制，且与图3(a) 仿真结果一致性高. 对比图4(a)不同极化RCS 减缩的测试曲线与仿真曲线可以看出，MS 能在4～12 GHz 有RCS 减缩效果，在4.4 ～5.9 GHz 范围RCS 减缩量超过10 dB，且测试中MS 在5.6 GHz、8.9 GHz 和11.1 GHz 获得了三个RCS 减缩峰，其对应最大RCS减缩量分别为26 dB、16.2 dB 和12.1 dB. 图6(c)是阵中单元的|S11|测试结果，与仿真结果基本一致.

图6 2 比特MS 样件及散射特性测试结果Fig. 6 Experimental scattering results two-bit coding-feeding metasurface device

图7(a)给出了2 比特MS 样件E 和H 面辐射方向图的测试结果，它与图5(a)和(b)的仿真结果一致性较高. 从图7 的2 比特MS 测试结果可以看出，设计的2 比特数字编码MS 在6.45～7.50 GHz 和10.62 ～10.74 GHz 具有良好的阻抗匹配效果，其在等幅同相激励时，MS 可以产生垂直极化的四波束辐射，通过合理的馈电相位控制，MS 能够产生1 模态的OAM波束. 实验结果表明，该2 比特激励编码MS 减缩了RCS，实现了有效隐身，同时能够生成多波束辐射和多模态涡旋电磁波.

图7 2 比特MS 样件的辐射特性测试结果Fig. 7 Experimental radiation results of two-bit codingfeeding metasurface device

4 结 论

为了实现入射电磁波和辐射电磁波的有效控制，将分形磁电偶极子结构和极化控制MS 单元结构有机融合，提出并设计了一款2 比特激励编码MS，实现了电磁波散射控制、多波束辐射和OAM 波束生成. 仿真了MS 的性能，并加工测试了MS 样件. 测试结果表明：设计的2 比特MS 能够在4～12 GHz 范围实现明显的RCS 减缩效果，在4.5～9.2 GHz 范围RCS 减缩量超过5 dB，最大RCS 减缩量为26 dB；同时在6.4～7.5 GHz 和10.6～10.7 GHz 具有良好的阻抗匹配效果. 与传统1 比特MS 相比，所设计的2 比特MS 当等幅同相激励时，可以产生垂直极化的四波束辐射，通过合理的馈电相位控制，MS 能够产生1 模态的OAM 波束. 该2 比特MS 减缩了RCS，实现了有效隐身，同时能够多波束辐射和多模态涡旋电磁波生成，设计的2 比特MS 在平台射频系统和无线通信系统具有潜在的应用价值.