[发明专利]一种基于幅度和相位调制的波束赋形超表面结构及方法

权利要求书

1.一种基于幅度和相位调制的波束赋形超表面结构的操作方法，其特征在于，基于一种基于幅度和相位调制的波束赋形超表面结构，包括若干超表面单元，若干不同结构参数的超表面单元均匀排列形成超表面结构；

超表面单元包括三层金属层和两层介质层；自上而下的第一层、第三层和第五层为金属层，第二层和第四层为介质层；

第二层和第四层为相同参数的介质基板，介质基板的厚度为2mm，介电常数为2.65，损耗正切为0.003；

第一层和第五层是一组相互正交的金属极化栅，第二层和第四层为相同参数的介质基板，第三层是I形金属贴片；

超表面单元的旋转角度β从0°到45°变化时，透射系数T_xy的幅度从0到1变化，y极化波入射，x极化波透射；超表面单元的圆弧开口大小α从27°到87°变化时，透射系数T_xy的相位从180°到0°变化，且当β改变符号时，T_xy的相位从360°变化到180°；在MATLAB中，可应用多项式拟合的方法得到参数β、α与透射系数T_xy的幅度、相位的对应关系，从而对整个阵列的幅相分布进行设计；

由24*24个超表面单元构成，单元边长p为10mm，其工作的中心频点是10GHz；包括以下步骤：

预设阵列方向图的主副瓣电平比和超表面阵列的单元数，由泰勒公式计算得到各单元所对应的激励分布，根据阵列天线理论计算得到不同指向角的低副瓣笔形波束；

设置目标方向图为平顶波束，将多个不同指向角的笔形波束阵列因子按比例系数相加逼近目标方向图；

解出权重系数，由新的阵列因子计算出目标方向图平顶波束对应的激励分布；

采用喇叭天线照射超表面，截获超表面处的激励分布，将该激励分布修正为目标方向图所需激励分布，然后应用于超表面设计，实现目标远场方向图。

2.根据权利要求1所述的一种基于幅度和相位调制的波束赋形超表面结构的操作方法，其特征在于，利用电磁仿真软件CST Microwave Studio中的频域求解器对超表面单元进行仿真计算，x，y方向边界条件均设置为Unit Cell，z方向设置为Open add space，采用Floquet端口激励，通过参数扫描，得到在中心频率10GHz处，透射系数T_xy的幅度Am(T_xy)和相位Arg(T_xy)随单元结构参数的变化曲线，在MATLAB中，根据多项式拟合的方法建立单元参数β和α与Am(T_xy)和Arg(T_xy)的一一对应关系。

3.根据权利要求1所述的一种基于幅度和相位调制的波束赋形超表面结构的操作方法，其特征在于，根据阵列天线方向图综合理论，采用泰勒综合法生成不同指向角的低副瓣笔形波束，再应用叠加原理将这些笔形波束按一定比例值相加，最后由新的阵列因子推算出目标方向图所需的幅度和相位分布。

4.根据权利要求1所述的一种基于幅度和相位调制的波束赋形超表面结构的操作方法，其特征在于，采用喇叭天线作为馈源照射超表面时，需要进行激励幅度和相位补偿，幅度补偿计算公式为，其中，为由目标方向图计算得到的幅度分布矩阵，为馈源在超表面位置处的电场分布矩阵，为超表面需要补偿的幅度分布矩阵；相位补偿计算公式为，其中，为由目标方向图计算得到的相位分布矩阵，为由波程引起的相位差，为超表面需要补偿的相位分布矩阵；

然后，将幅度矩阵和相位矩阵进一步转换为超表面单元参数β和α分布矩阵，在电磁仿真软件Ansys HFSS中，建立超表面模型并进行全波仿真计算。