基于反射型超表面的太赫兹偏折涡旋波束生成

太赫兹涡旋波束可以提高雷达通信系统通信容量及成像系统的分辨率,如何有效地产生这种波束成为近期研究热点之一。为了克服传统方式的缺点,该文设计加工了5个工作在太赫兹频段的反射型超表面,它们可以产生±1、±2和3共5个不同模态的涡旋波束。为了避免馈源对涡旋波束的遮挡,通过平面反射阵原理控制了波束的偏转方向。超表面单元为3层结构,其中,上层为金属结构,控制上层结构中8个枝节的长度,可以在基本不改变超表面单元反射系数的情况下,调整它的反射相位。中间层为介质层,为了使超表面单元有较高的反射系数,介质层下方为一金属地。超表面单元仿真显示,其同极化反射率在90%以上,相位分布也满足超表面设计需求。超表面的仿真及测试结果表明,在340 GHz附近,不同超表面在设计的方向上产生了对应模态的涡旋波束,并且涡旋波束中的主模态能量占比最高。      

机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面快速设计方法

太赫兹涡旋波产生与调控被认为是6G通信、雷达探测、新型传感器的关键技术之一。利用人工超表面产生涡旋波,相较于传统方法具有平面化、集成化、低成本的特点,但是面临复杂的参数设计和分析,需要耗费大量的时间和算力。为此,提出一种机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面快速设计方法,通过长短期记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)神经网络法快速得到满足相位需求的超单元并进行一体化组阵。利用该方法,设计构筑了三块模数l分别为1、2、3的太赫兹涡旋波超表面,仿真结果表明,设计的太赫兹涡旋波束模式纯度达到80%以上。机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面设计方法具备精度高、快速、一体化设计等优点,有望运用于太赫兹幅度、相位、极化、轨道角动量等复杂波束调控领域。     

宽频多模态涡旋电磁波超表面设计

针对超表面产生OAM(轨道角动量)涡旋电磁波模态单一的问题,提出了一种宽频带多波束多模态OAM波束超表面的设计方法。采用方形开口环结构,优化几何参数,通过开口尺寸的变化构建8个3-bit 数字编码单元。利用矢量叠加原理,由产生单一模态OAM波束所需的相移得到多模态涡旋波束的超表面相位分布。采用天线阵列理论可直接求得超表面的远场方向图,并与全波仿真结果进行对比。研究结果表明,利用该方法设计的超表面,能够同时生成多个OAM波束,并且每个波束的辐射方向和OAM 模态可根据实际需求进行设定。设计的超表面还具有电尺寸小、剖面低和工作频带宽等优点,在无线通信领域具有广泛的应用前景。     

基于几何相位的高透射型太赫兹超表面设计

文中提出一种基于几何相位的透射型超表面,通过对超表面单元结构的设计和排布实现了对入射圆极化波的波前任意操控和太赫兹涡旋波的产生。该超表面单元由典型的“三明治”型结构,即金属-介质-金属结构组成,顶层和底层金属图案均是由“C”型和矩形组成。利用几何相位原理,在工作频点下通过旋转金属结构对其相位进行调控,同时交叉极化透射幅度较高（>0.9）。通过对单元结构进行旋转编码,可以形成用于产生异常偏折现象、不同拓扑荷数涡旋光束的编码超表面。仿真结果表明,在0.63 THz处,设计的编码超表面能够对电磁波进行良好的调控,产生折射角为±50.1°和30°的异常折射现象,拓扑荷数l=±1两种模态的涡旋波束,在激光雷达和太赫兹大容量通信等领域具有潜在的应用价值。     

圆极化解耦手性辅助超表面

设计了一种圆极化手性辅助微波段超表面,根据手性结构的自旋相关响应特点,通过调节单元中圆弧的张角可以独立改变左旋/右旋圆极化波的反射相位,同时反射的同极化波束幅度能维持较高水平.为了证明所提出单元的有效性,分别设计了左右旋波束独立偏转和携带不同拓扑电荷数的涡旋波束2个超表面.仿真结果表明,所提出的单元能够有效对2个正交圆...     

应用于毫米波段的宽带波束调控超表面设计

毫米波段因其较高的数据传输速率和较大的容量而备受关注。为满足现代通信系统对宽带、波束偏转和高辐射效率等天线需求，本文提出了一种工作在88.5～94.6 GHz频带范围内的石墨烯-金属复合结构超表面。该超表面通过调节石墨烯的费米能级，对超表面单元的反射相位进行实时调控编码。调整金属层结构尺寸，可以调制不同编码状态下超表面单元的相位、幅度响应以及编码频段范围。经优化设计，在石墨烯费米能级分别为0 eV和1 eV时，编码超表面单元在88.5～94.6 GHz的宽频带内具有180°±20°的反射相位差，并且反射幅度均大于0.7。利用该单元设计了7×7的超表面，通过合理排布编码单元，可对毫米波段波束进行偏转和多波束切换等动态调控。实验结果显示，单波束最大偏转角度可达105°(-55°～50°),且可实现1～5个波束的切换。该超表面为多功能天线设计提供了新的解决方案，在高速无线局域网、车载雷达、卫星通信等领域具有潜在的应用价值，对毫米波段通信技术的发展具有重要意义。     

多波束涡旋电磁波反射阵天线设计

针对传统反射阵天线产生涡旋电磁波存在方向单一、轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模态单一的问题,设计了一款多波束涡旋电磁波反射阵天线.提出了一款基于旋转单元法的新型宽带圆极化单元,并利用口径场叠加法,获得了单个馈源产生多个涡旋波束的反射阵阵面补偿相位.仿真结果表明,该天线在26.5 ...     

基于几何相位超表面的高效独立双频点圆偏振太赫兹波束调控

为了克服超表面普遍具有的波长依赖性,提出了一种基于几何相位的多功能超薄超表面,在双频点处对透射圆偏振太赫兹波实现独立波前调控。该超表面单元由表层金属层和中间介质层组成,其中表层金属图案相同,均是由双C型开口环谐振器、中间金属圆环和长方形金属片谐振器构成。通过分别旋转表层金属谐振器,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位。将单元结构按照特定的规律排列,可对入射波的波前实现任意调控,例如,在低频f₁=0.701 THz,分别实现了携带拓扑电荷数+1、+2、+3、+4的涡旋波束,其纯度均在60%以上;在高频f₂=1.663 THz,实现了对入射圆偏振波的汇聚,且焦距误差仅为0.04。仿真结果表明,设计的超表面在双频点处对电磁波具有良好的调控。     

基于透射超表面加载圆阵的双波束涡旋波天线北大核心CSCD

为了提高通信系统的信道容量和频谱效率，本文提出了一种工作在X波段的透射超表面加载的八单元的均匀圆阵(UCA)双波束轨道角动量(OAM)天线，超表面分为三层结构，分别中间的金属层和上下的正交金属栅层，中间层将馈源辐射的y轴线极化入射的+1模态的涡旋电磁波转换为x轴线极化的出射的+1模态涡旋电磁波，同时基于相位叠加原理构成双波束超表面，将入射波分为两个不同方向(30°,0°)和(30°,180°)的出射波，并且出射涡旋电磁波相对于入射涡旋电磁波发散角降低了9°。该研究有望为基于多波束的轨道角动量复用和大通信容量的天线设计提供一种新的思路。     

基于多环结构的八模态涡旋波微带天线

介绍了一种多模态涡旋电磁波单元天线设计方法.利用四个同心短路圆环微带贴片产生八模态的涡旋电磁波波束.该单元天线结构简单,尺寸小.仿真与实验结果表明,八个模态（l=±1,±2,±3,±4）均拥有良好的涡旋相位特性,相应阶数的单元增益分别为4.8 dBi,4.1 dBi,5.1 dBi,5.3 dBi,各模态的阻抗带宽均大于100 MHz.该天线为多模涡旋电磁波应用提供了一种新的可能.     

基于特征模分析的1-bit转极化反射超表面阵列设计

基于特征模理论分析了反射超表面单元模式特性和散射参数的关系,提出了一种仅需2个开关结构同时实现1-bit相位调控和转极化的单元结构,仿真分析表明单元工作带宽在26～ 33 GHz,并基于此设计了工作在Ka波段的波束倾角为0°和60°的1-bit转极化反射阵列.测试结果表明阵列可工作在27～ 33 GHz,最大增益分别为...     

超宽带相位梯度超表面设计

设计了一种超宽带相位梯度超表面,在电磁波垂直照射条件下能够在15 ~20 GHz 频段内观察到明显的奇异反射现象。提出了一种双“工冶型亚波长结构的单元,且不同尺寸单元的反射相位差在设计频段内基本保持不变,保证了其超宽带工作。利用该单元设计了单元数为31′30, 尺寸为186 mm′180 mm 的相位梯度超表面,并在15 GHz, 17.5 GHz, 20 GHz 3 个频点观察到了明显的奇异反射现象,验证了所设计超表面的宽带特性。最后,对该超表面进行了加工并测试,测试结果与仿真结果吻合良好。     

双线极化宽带1-bit可编程智能超表面设计

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)因其对电磁波的灵活调控特点,广泛应用于新型无线通信网络系统中,满足了6G移动通信对低成本、低剖面、易布局、低能耗、多功能器件的要求。然而,现有超表面器件往往局限于单极化的调控,且工作带宽较窄,极大限制了其在新一代无线通信系统中的应用。提出了一种新型的双线极化宽带1-bit可编程RIS,通过接收贴片、可重构缝隙和辐射贴片的形式,在完成双线极化电磁波极化转换的同时,实现3.5 GHz附近的1-bit相位调控,设计的超表面单元-3 dB带宽为2.98～4.6 GHz,相对带宽达到42.7%,所设计单元也可以实现圆极化的波束调控;通过平面波角谱理论,对该单元所建超表面进行分析综合;建立的16×16阵列可以实现多功能电磁波调控,包括波束扫描、聚焦以及涡旋波束生成等,可以在二维平面±60°内实现高增益波束扫描,-3 dB相对带宽达到36.7%。     

基于优化算法的2-bit编码超表面缩减RCS研究

该文设计了一种“十字-圆环”型结构超表面,并利用该结构实现了2-bit编码的相位梯度超表面(PGMS)设计。结合超表面阵列的特点,提出了一种改进的遗传粒子群算法(GAPSO)与阵列模式综合(APS)的组合优化算法GAPSO-APS,得到超表面编码矩阵的最佳排列,从而实现了宽带雷达散射截面(RCS)的大幅缩减。对设计的超表面进行仿真,并与金属表面进行了对比。结果表明,设计的编码超表面可在3.1～29.7 GHz频带内实现10 dB的RCS缩减,有效地验证了所设计的编码超表面在宽频带内实现RCS的缩减以及算法的有效性。     

基于圆形阵列的OAM波束产生系统设计与实现

针对目前轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)波束发生器模态单一、设计复杂等问题,设计并实现了一种在X频段内产生可调OAM波束的均匀圆形阵列天线。天线为半径60 mm 的圆盘,由8个阵元组成,阵元采用微带天线设计,同轴馈电,在中心频率处回波损耗达-51.5 dB ,S 11 < -10 dB 的工作带宽为9.6~10.5 GHz 。仿真和实测结果表明,天线可通过调节相位产生7种不同模态的涡旋电磁波,产生OAM为+1的涡旋电磁波纯度可达90%。通过误差分析发现,低模态数的涡旋电磁波对幅度和相位误差具有很好的抗干扰能力,这为利用涡旋电磁波实现目标探测和提高信道容量奠定了基础。     

基于导波型频率选择表面的多波束透射阵北大核心CSCD

本文提出了一种由两类导波型频率选择表面组成的多波束透射阵。首先基于导波型频率选择表面，设计了两个具有180°移相稳定的透射单元。在2.89-6.98GHz的频率范围内，透射幅度大于1dB，相位误差在±30°以内。然后，基于1比特数字编码理论，确定了在5GHz中心频率下30°波束偏转的相位分布。所设计的阵列大小为8λ0×8λ0×0.93λ0(其中λ0为5GHz下的自由空间波长)，仿真结果表明，可在4.5GHz至6.5GHz范围内实现波束扫描，涵盖范围为20°至35°。     

四叶草形超宽带漫散射编码超表面

该文提出了一种结构新颖的四叶草形编码超表面,并利用该超表面实现了超宽带漫散射。所提出的编码超表面具有旋转对称性,它对x极化和y极化波产生相似的反射特性。为了实现1比特编码超表面,该文设计了在15.5～40.5 GHz的频率范围内且相位差为180°±37°的两个超表面单元。采用优化算法得到阵列中单元的最佳排列,从而实现了宽带RCS的缩减。四叶草形编码超表面可以在15.5～26.5 GHz和30.5～40.5 GHz这两个频带内实现10 dB的RCS缩减。该文加工了该编码超表面并与仿真结果进行了比较,从而有效验证了所设计的四叶草形编码超表面可以在宽频带内实现RCS的缩减。      

基于尺寸渐变超表面宽带高增益低剖面天线

设计了一种基于尺寸渐变超表面的宽带高增益低剖面天线,该天线由双层超表面和一层微带缝隙组合而成。双层超表面由分别印刷在2个介质板上的尺寸渐变六边形阵列贴片组成,贴片之间存在非等距间隙。超表面单元尺寸渐变设计能够使天线产生多个邻近的谐振点,从而展宽带宽。通过改变超表面天线尺寸结构,分析天线的宽带辐射特性。为获得最佳宽带性能,采用遗传算法优化天线几何参数。制作并测试了一款边长为43.3 mm,厚度为4.853 mm的样本天线用于验证仿真结果。实测结果显示,该天线-10 dB阻抗带宽达到了54%(3.99~6.93 GHz),最高增益达到12.05 dB,在4~6 GHz范围内增益保持在8 dB以上。该天线实现了宽频带、高增益、低剖面的特点,适用于宽带高速率无线通信的诸多领域。     

基于极化旋转单元的宽带雷达散射截面缩减

提出并设计了一种基于非对称开口圆环形结构的极化转换单元，并以此为基础设计实现了超宽带雷达散射截面（radar cross-section，RCS）缩减电磁超表面.利用非对称开口圆环形结构极化转换单元可灵活设计转极化反射相位的特点，设计了两种极化转换单元以实现在超宽频带范围内满足反射相位相差接近180°，将这两种单元在平面上进行编码优化排布，使得入射电磁波产生漫反射效应从而实现超宽带后向散射RCS缩减.最后设计并加工了一个192 mm×192 mm尺寸的电磁超表面，仿真和实测结果表明该表面在11.2~24.1 GHz的宽频带内实现了10 dB以上的RCS缩减，最大缩减可达35 dB.     

一种超宽带反射型相位梯度超表面设计

为获得反射型相位梯度超表面的宽带响应,设计了一种"靶"形结构单元,在11～19 GHz的频带内,不同尺寸的单元可获得基本不变的反射相位差。使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics进行了仿真,仿真结果表明,由该单元组成的超表面在设计频带内有明显的奇异反射现象。计算了5个频点处反射角的理论值,均与仿真结果一致。加工了包含单元数为30×30、尺寸为180 mm×180 mm的超表面样品,测试了超表面的反射率,测试结果与仿真结果相吻合。提出的超表面可应用在许多方面,如超宽带隐身、雷达散射截面的降低和设计高增益天线等。