[发明专利]一种基于超构表面的任意波形产生器及设置方法

权利要求书

1.一种基于超构表面的任意波形产生器的设置方法，其特征是，包括如下步骤：

设置同时具有幅度和相位调控能力的超构表面单元，其中，幅度调控依靠调整单元旋转角度而相位调制则依靠改变单元尺寸；

利用遗传算法优化超构表面相位及幅度分布，使其在远场形成目标方向图；

利用Vivaldi天线照射超构表面，结合表面截获的幅度及相位分布，计算出产生目标远场方向图需要补偿的幅度及相位分布；

依据上述步骤，设置出扇形波产生器。

2.根据权利要求1所述的基于超构表面的任意波形产生器的设置方法，其特征是，所述设置具有能够同时调控幅度和相位的超构表面单元：

采用变形H形结构，变形H形结构指H的两竖成为两个圆弧形，变形H形的单元为具有上下两个缺口即开口的圆形；单元与y轴夹角β从0°-45°变化，单元开口大小α从87°变化到37°时，反射系数分量R_xy的幅度从0变化到1，相位覆盖0°到180°范围；β从-45°-0°变化，α依旧从87°变化到37°，反射系数分量R_xy的幅度从1变化到0，相位覆盖180°到360°范围，实现了幅度和相位的全覆盖。

3.根据权利要求1所述的基于超构表面的任意波形产生器的设置方法，其特征在于，所述设置利用遗传算法优化表面幅度和相位分布，包括：

在Matlab中，利用遗传算法，并结合阵列天线方向图乘积定理，计算出平面波条件下产生目标波形所需的幅度(T_a)和相位分布(T_p)。

4.根据权利要求1所述的基于超构表面的任意波形产生器的设置方法，其特征是，所述方法还包括：

利用Vivaldi天线照射超构表面，模拟并计算超构表面截获的幅度(I_a)及相位分布(I_p)，进而得出超构表面需要补偿的幅度(C_a)及相位分布(C_p)；

最终设置出基于超构表面的扇形波束产生器。

5.根据权利要求1-4之一所述的基于超构表面的任意波形产生器的设置方法，其特征是，利用CST中的微波工作室对单元进行仿真，其中x和y轴方向采用周期边界，单元反射系数可表示为利用“H”单元的臂长rα和对称轴与y轴的夹角(β)分别控制R_xy(R_yx)的相位和幅度；其中r为单元外框圆的半径，α为H臂的伸展角；

入射波为y极化的情况，R_xy的相位和幅度分别用Arg(R_xy)和Am(R_xy)表示；随着α从87°减小到37°，Arg(R_xy)在10GHz处实现了180°相位调控范围，其幅度始终高于0.8。且当β改变符号时，由于反对称性的存在，Arg(R_xy)会出现180°的相位跳变，因而利用α取值以及β符号的变化实现R_xy全相位的控制360°范围；

推导超表面散射方向图计算公式，并根据目标方向图计算公式，建立优化目标的数学模型：

依据阵列天线的相关理论，通过优化天线单元的幅度和相位分布能够形成特殊形状的远场方向图；扇形波束用来表示，其中θ为方位角；对于N元线性阵列，其远场方向图表示为其中f(θ)为单元因子，I_n为第n个单元的激励幅度，d_n为第n个单元到阵列中心的距离；采用结构尺寸为α＝87°和β＝45°、幅度为1、参考相位为0的单元作为参考单元，其在平面波激励下的方向图作为f(θ)；由于目标方向图是对称的，单元的幅度和相位分布也是关于中心对称的，取N＝13且令中心为参考单元、幅度为1、参考相位为0，利用上述初始条件，简化远场方向图为其中d为单元周期。

6.根据权利要求5所述的基于超构表面的任意波形产生器的设置方法，其特征是，采用遗传算法进行优化，优化幅度和相位的范围为依据简化的方向图表达式，仅需要优化6个单元的幅度和相位，基因序列表示为利用最小二乘法，优化的目标函数设置为其中Q＝181，为离散的方位角度数量(1°间隔)得到幅度和相位分布。