[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

说明书

一种基于幅度和相位调制的波束赋形超表面结构及方法，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。本发明设计了对电磁波幅度和相位同时调制的超表面，结构简单，剖面低，增加了对电磁波调控的灵活性；本发明基于泰勒综合法和叠加原理计算目标方向图所需的激励幅度和相位分布，适用于各种远场方向图的综合，且计算方法简便。

技术领域

本发明属于超表面电磁调控领域，特别涉及一种基于幅度和相位调制的波束赋形超表面结构及方法。

背景技术

新型人工电磁表面，即超表面，是由亚波长微结构单元按照周期或准周期方式排列而成的二维平面结构，由于具有特殊的电磁特性，因此能实现对电磁波幅度、相位、极化的灵活调控。目前，关于纯相位调制超表面的研究已经非常成熟，可以实现高增益、波束偏转、极化转换、螺旋相位波前等功能。然而，要想实现对电磁波更加精准的控制，必须考虑对电磁波的幅度进行调控。迄今为止，关于幅相同时调制的超表面的研究尚少，有更多新的方法和功能需要探索。基于此，本发明研究并设计了具有幅度和相位同时独立调控的超表面，实现了波束赋形，如矩形平顶波束，三角形平顶波束等。

东南大学在其申请的专利文献“一种基于超构表面的任意波形产生器及设置方法”中公布了一种扇形波束(直角坐标系中为平顶波束)产生器，该发明通过遗传算法优化激励幅度和相位设计了一种可以产生平顶波束的超表面，但是该发明仅在φ＝0°面形成了平顶波束，然而在实际应用中常常需要在φ＝0°和φ＝90°两个面上同时形成平顶波束，而将该方法拓展到二维平面阵列时需要优化的变量成平方关系增加，需要花费大量的时间进行优化，难度增加且设计效率低。

电子科技大学在其申请的专利文献“一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面”中公布了一种基于全息人工阻抗表面的矩形波束赋形方法，由四个单极子及其馈电网络激励超表面实现波束成形，但是该方法设计产生的矩形平顶波束主瓣波动较大且副瓣电平较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于幅度和相位调制的波束赋形超表面结构及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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°。

进一步的，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。

进一步的，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，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，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对应的激励分布；