基于表面-电路-表面型超表面的大旋转角度异常反射和异常折射.pdf

第2 4卷 第3期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.32 0 2 3年6月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YJ u n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-0 8-3 0基金项目:国家自然科学基金(6 1 8 7 1 2 2 5,6 2 1 0 1 2 6 2)作者简介:司马博羽(1 9 8 7-),男,江苏无锡人,讲师,博士,研究方向为电磁场与微波技术。E-m a i l:s m b y n j u s t.e d u.c n引用格式:司马博羽,侯芸芳,冯梦龙,等.基于表面-电路-表面型超表面的大旋转角度异常反射和异常折射J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(3):1 7-2 5.S I MA B o y u,HOU Y u n f a n g,F E N G M e n g l o n g,e t a l.A n A n o m a l o u s R e f l e c t i o n a n d A n o m a l o u s R e f r a c t i o n w i t h L a r g e R o t a t i o n A n g l e B a s e d o n S u r f a c e-C i r c u i t-S u r f a c e M e t a s u r f a c eJ.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2 0 2 3,2 4(3):1 7-2 5.基于表面-电路-表面型超表面的大旋转角度异常反射和异常折射司马博羽,侯芸芳,冯梦龙,李坤泽,徐翊邦,康 炜,钱嵩松,宗志园(南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京,2 1 0 0 9 4)摘要 提出了一种基于表面-电路-表面型超表面(S C S M S)来实现高效率的异常反射和折射的方法。与传统的相位梯度超构表面(P GM)不同,提出的S C S M S首先通过表面天线将入射空间电磁波转换为导行波,然后通过调整背接电路的长度来实现相位梯度分布。最后,通过表面天线将波传回自由空间,从而实现想要的波前控制。通过这种方法,可以消除不必要的单元间耦合效应。为了说明所提出的波前调控方法的原理,设计了2个S C S M S分别进行2 0 入射5 0 反射的大旋转角异常反射和0 入射5 0 出射的大旋转角异常折射。仿真结果表明:该方案可以实现高效的异常反射和折射,效率分别为6 8%和7 9%。这为利用S C S M S实现具有大旋转角度的高效异常反射和折射或其他类型的波前操作提供了有效的案例。关键词 超表面;异常反射;异常折射;表面-电路-表面D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0 3.0 0 3中图分类号 T N 8 2 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 3-0 0 1 7-0 9A n A n o m a l o u s R e f l e c t i o n a n d A n o m a l o u s R e f r a c t i o n w i t h L a r g e R o t a t i o n A n g l e B a s e d o n S u r f a c e-C i r c u i t-S u r f a c e M e t a s u r f a c eS I MA B o y u,HOU Y u n f a n g,F E NG M e n g l o n g,L I K u n z e,XU Y i B a n g,KANG W e i,Q I AN S o n g s o n g,Z ONG Z h i y u a n(S c h o o l o f E l e c t r o n i c a n d O p t i c a l E n g i n e e r i n g,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,N a n j i n g 2 1 0 0 9 4,C h i n a)A b s t r a c t A n o v e l m e t h o d f o r e f f i c i e n t a n o m a l o u s r e f l e c t i o n a n d r e f r a c t i o n b a s e d o n S u r f a c e-C i r c u i t-S u r f a c e M e t a s u r f a c e(S C S M S)i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r.B e i n g d i f f e r e n t f r o m t r a d i t i o n a l P h a s e G r a d i e n t M e t a-s u r-f a c e(P GM),f i r s t,t h e p r o p o s e d S C S M S i s t o c o n v e r t i n c i d e n t s p a t i a l w a v e s t o g u i d e d w a v e s b y s u r f a c e a n t e n n a s,a n d t h e n g r a d i e n t p h a s e d i s t r i b u t i o n i s t o r e a l i z e b y a d j u s t i n g t h e l e n g t h o f t h e b a c k-l o a d e d c i r-c u i t.F i n a l l y,t h e w a v e i s t o b e t r a n s m i t t e d t o t h e f r e e s p a c e b y t h e s u r f a c e a n t e n n a,a c h i e v i n g t h e d e s i r e d w a v e f r o n t c o n t r o l.B y t h i s w a y,u n w a n t e d c o u p l i n g e f f e c t s b e t w e e n u n i t s c a n b e e l i m i n a t e d.T o i l l u s t r a t e t h e p r i n c i p l e o f t h e p r o p o s e d w a v e f r o n t r e g u l a t i o n m e t h o d,t w o S C S M S a r e d e s i g n e d f o r a n o m a l o u s r e f l e c-t i o n(2 0 -5 0)a n d r e f r a c t i o n(0 -5 0)r e s p e c t i v e l y.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t h i g h e f f i c i e n t a n o m a-l o u s r e f l e c t i o n a n d r e f r a c t i o n c a n b e a c h i e v e d w i t h e f f i c i e n c y o f 6 8%a n d 7 9%r e s p e c t i v e l y.A n d t h i s p r o-g r a m p r o v i d e s a n e f f e c t i v e c a s e f o r e f f i c i e n t a n o m a l o u s r e f l e c t i o n a n d r e f r a c t i o n w i t h l a r g e r o t a t i o n a n g l e s o r o t h e r t y p e s o f w a v e f r o n t o p e r a t i o n s u s i n g S C S M S.K e y w o r d s m e t a s u r f a c e;a n o m a l o u s r e f l e c t i o n;a n o m a l o u s r e f r a c t i o n;s u r f a c e-c i r c u i t-s u r f a c e 超表面(m e t a s u r f a c e,M S),是一种由亚波长尺寸周期晶格排列的人工结构单元组成的平面阵列结构,其已经被广泛证明在控制入射波束的传播特性方面具有强大的能力1-6。它可以实现多种多自由度的电磁波操纵功能,包括对振幅、相位和偏振等自由度的调控,加上其低剖面、重量轻、成本低等特点,受到学界持续关注,应用前景广阔。目前,基于超表面已经产生了许多典型应用和功能,如聚焦7-9、异常反射(折射)1 0-1 2、R C S缩减1 3-1 5等1 6-2 6。在不同类型的超表面中,由于相位梯度超表面(p h a s e g r a-d i e n t m e t a s u r f a c e,P GM)在控制电磁波的传播方向、修改波前、产生异常反射(折射)等现象方面具有显著特性。在过去的十多年中得到了广泛的研究,是超表面中一类重要的基础性、代表性工作2 7-2 9。然而,研究发现,由于局部非周期性引起的相邻单元间的非必要电磁耦合,会对超表面最终的电磁波调控效果产生额外的影响,特别是在需要大相位梯度变化时3 0-3 2,会降低传统P GM对波束调控的效率。目前,利用一定的优化方法3 3-3 4可以解决这一问题,但它们通常依赖于大量的模拟计算和优化过程,这耗费了巨大的计算机资源。本文中提出了一种基于表面-电路-表面型超表面(s u r f a c e-c i r c u i t-s u r f a c e m e t a s u r f a c e,S C S M S)的设计架构来实现具有大偏转角的高效异常反射和异常折射的方法。与传统的通过结构设计等效表面阻抗直接与空间电磁波相互作用的超表面不同,S C-S M S首先使用上表面天线接收入射波,然后将其耦合传输到背接于天线地板的射频(R F)电路中。为了实现相位梯度分布,将各个单元的背接射频电路设计为具有不同的长度,而表面天线的结构保持相同,从而实现对单元相位的控制,形成所需的相位梯度变化。通过这种结构,将传统超表面直接对空间电磁波调控的方式转变为先对空间电磁波进行接收并转换为导行波再通过射频电路对导行波进行调控的方式。该方式对电磁波特性的调控主要在射频电路中完成,由于导行波能量传输的局域性,从而可以消除由非周期性引起的相邻单元间不必要的电磁耦合。基于该原理我们设计了2种S C S M S结构分别用来实现异常折射和异常反射。全波仿真结果表明,所设计的S C S M S分别可以实现2 0 入射5 0 反射大旋转角的高效率异常反射和0 入射5 0 折射的高效率异常折射。由于其结构简单,所提出的S C-S M S可以方便地应用于其他频率范围,如太赫兹和光学区域。1 异常反射1.1 异常反射设计原理 图1为提出的反射式S C S M S实现异常反射的原理效果图。图1 反射式S C S M S S异常反射原理假设y极化平面波斜入射所提出的S C S M S整体结构,S C S M S的单元具有相等的散射振幅和范围覆盖2 的相位延迟。根据S n e l l定律1,入射角与反射角的关系可以表示为:s i nr ni-s i ni ni=02 ddx(1)式中:i为入射角;r为反射角;ni为入射和反射电磁波所在媒质的折射率;ddx为沿S C S M S的x轴方向的相位不连续梯度。在自由空间中为了实现所需的特定角度的异常反射,这种关系可表示为:s i nr -s i ni =02 ddx(2)可以看出,实现异常反射的关键是实现沿界面的特定相位变化。假设入射角i=2 0,异常反射角度r=5 0,则根据式(2),所需设计的相位梯度ddx应为1 4 6.2 6。传统的M S在单元结构设计中利用具有相似图案但尺寸不同的金属结构来实现可变的共振,从而产生变化的反射相位分布。反射式S C-S M S的机理不同,反射式S C S M S的每个单元由两部分组成:表面天线部分和背接射频电路部分。天线部分用于接收入射的电磁波,并将电磁能量反射81空军工程大学学报2 0 2 3年回自由空间。而背接电路部分负责调控由天线部分接收到的电磁波的相位延迟。基于该种反射式S C-S M S机理,为了实现所需要的相位梯度分布,关键点在于设计高效率的表面天线以及具有不同相位延迟的射频电路。1.2 单元结构设计在反射式S C S M S设计中,每个超表面单元结构由一个表面天线部分和一个背接射频电路部分组成,结构如图2所示。根据高效率和小型化的设计要求,选择了方形贴片和闵可夫斯基分形贴片堆叠的形式来实现表面天线。堆叠设计有助于提高工作带宽和阻抗匹配。方形贴片和闵可夫斯基分形贴片结构均位于R o g e r s R O 3 0 0 3介质基板上,介电常数为3,介电损耗切线为0.0 0 1,厚度h1=0.2 5 4 mm。实现反射相位控制的核心设计是背接射频电路层。背接射频电路采用带状线结构,上下金属基线和中间的相延线被基板分隔,也是R o g e r s R O 3 0 0 3。图2(e)所示的基底同时作为闵可夫斯基分形贴片的天线地板,和带状线射频电路结构的上地板。天线地板中上部的H形槽用于实现贴片天线与背接射频电路之间的高效孔径耦合。最底层为全金属结构,作为带状线射频电路结构的上地板,若不考虑吸收损失,可以保证入射波被完全反射。不同介质基板间的 粘 合 层 采 用R o g e r s 4 4 5 0 B,其 介 电 常 数 为3.5 2,介 电 损 耗 切 线 为0.0 0 3,高 度 位h2=0.1 mm,用于结合R O 3 0 0 3基底,使介电参数的一致性最大化,从而简化设计过程。各金属层、介质基底层和粘合层的排布堆叠情况如图2(b)所示。(a)三维示意图(b)侧视图(c)第1层金属贴片结构顶视图(d)第2层闵可夫斯基分形结构顶视图(e)第3层带H形槽的地板结构顶视图(f)第4层背接射频电路结构顶视图图2 反射式S C S M S单元结构使用商用全波仿真软件C S T,在1 62 8 GH z的频率范围内,对图2中所示的单元结构进行了数值模拟和优化。仿真过程有2个步骤:第1步是对周期边界条件下的单元结构的天线效率进行仿真和优化。仿真了射频电路终端端接匹配端口时,电磁波从自由空间耦合至终端端口的传输效率,电磁波传输模拟设置见图3(a),优化后的仿真结果见图3(b)。可以看出,从1 9.8 62 4.9 2 GH z的耦合传输效率高于-0.5 d B,这意味着在这个频率范围内,优化后的单元结构可以以近乎完美的效率将自由空间入射波耦合至背接电路当中。第2步仿真电路终端开路情况下的单元结构反射特性,研究了不同长度的背接射频电路情况的反射系数和相位分布。从图4可以看出,在2 1.5 GH z左右,当L从0.5 mm变化到4.5 mm(其中L=l1+l2)的过程中,反射系数大于-0.7 d B,相位变化覆盖3 6 0。该仿真结果表明,所设计的反射式S C S M S单元能够满足所需的异常反射的要求。优化后的结构尺寸参数见图2(b)(f),其中h1=0.2 5 4 mm,h2=0.1 mm,p=5 mm,a=3.2 mm,b1=2.1 mm,b2=0.4 mm,b3=0.5 mm,c1=1.5 mm,c2=1.9 mm,c3=0.3 mm,c4=0.2 mm,w1=0.2 mm,w2=0.5 mm。(a)电磁波传输模拟设置(b)电路负载端子传输仿真结果图3 元件结构的天线效率(a)模拟的反射系数变化曲线91第3期 司马博羽,等:基于表面-电路-表面型超表面的大旋转角度异常反射和异常折射(b)反射系数的模拟相位变化曲线图4 不同背载电路长度的反射S C S M S S元件的模拟结果1.3 异常反射S C S M S整体结构设计 在本节中,设计了一个由1 21 2单元组成的反射式S C S M S,用于在y极化2 0 斜入射情况下实现异常反射。根据第1.1节的推导,为了实现反射角度r为5 0 的 异 常 反 射,相 邻 元 件 之 间 的 相 位 差 应 为1 4 6.2 6。因此,设计优化了1 2个基础单元(单元射频电路尺寸 L 分别为 0.5 mm,0.9 mm,1.1 mm,1.8 mm,2.9 mm,3.1 mm,3.2 mm,3.8 mm,4 mm,4.4 mm,4.5 mm,5.8 mm)并组成阵列,如图5所示。理论要求的与仿真得到的沿x轴方向的反射相位分布如图6所示。可以看出,文中设计的基础单元的相位分布与理论上的要求吻合较好,只有少数单元存在微小的差异,可以忽略不计。(a)分层S C S M S三维结构(b)背接射频电路层的三维示意图图5 异常反射S C S M S整体结构设计图6 沿x轴方向反射相位分布为了证明所设计的反射式S C S M S在y极化2 0 入射时的高效异常反射效果,我们对S C S M S和相同尺寸的金属板进行了全波仿真。激励条件设置为y极化平面波从2 0 方向入射,在2 1.5 GH z处的远场R C S仿真结果如图7所示。图7 R C S仿真结果从图7中不难看出,在y极化斜2 0 入射条件下,所提出的反射式S C S M S可以实现高效的异常反射。其R C S值在5 0 时达到最大为-4.5 d B s m。而对于金属板由于镜面反射,R C S在-2 0 时达到最大为-1.2 d B s m。异常反射效率接近6 8%,这对7 0 的大旋转角度而言效率是比较高的。如文献3 5 中所讨论的,这一效率值接近常规相位梯度超表面方法在实现7 0 大旋转角度异常反射时的理论效率值上限。需要注意的是,这里所述的理论效率值上限是针对传统相位梯度型单元排布方式超表面而言的。有科研人员提出了一些特殊的方法来突破这一极限值3 6-3 8,例如二元光栅方案、非局域漏波表面方案等,但是在本文中为了简单明了暂时不考虑这些特殊的方法,只限定于采用传统的相位梯度方案来设计整个超表面的排布。2 异常折射2.1 异常折射设计原理 同样,设计了透射型的异常折射S C S M S,见图8。首先,对异常折射所需的理论相位梯度要求进行推导。根据广义S n e l l折射定理3 9:s i nt nt-s i ni ni=02 ddx(3)式中:i为入射角;t为折射角;ni为入射介质的折射率;nt为折射介质的折射率,其中ddx是入射电磁波沿超表面在x轴方向上的相位梯度,由于电磁波在空气中入射,故这种关系可以表示为:s i nt -s i ni =02 ddx(4)可以看出,异常折射的角度由超表面产生的相位梯度决定,假设入射角为0,异常 折射角度为5 0,则根据该广义S n e l l定律算出透射式的透射相位梯度为-6.7 6/mm,可以满足使折射角度5 0 的02空军工程大学学报2 0 2 3年要求。图8 异常折射S C S M S概念示意图2.2 单元结构设计在设计的异常折射S C S M S中,每个超表面单元由一个上表面天线部分,一个背接射频电路部分和下表面天线部分组成,如图9所示。(a)三维原理图(b)侧视图(c)顶部的备用补丁层(d)闵可夫斯基分形补丁层(e)带H形槽的地板(f)电路背载层图9 S C S M S S装置的结构示意图根据高效率电磁接收辐射的设计要求,选择了一个方形贴片和一个闵可夫斯基分形贴片来实现接收天线和发射天线。堆叠设计可以提高工作带宽和阻抗匹配。方形贴片和闵可夫斯基分形贴片均位于R o g e r s R O 3 0 0 3基板介质上,其介电常数为3,介电损耗正切角为0.0 0 1。实现折射相位控制的核心设计是背接射频电路层。背接电路层采用带状线结构,基板介质同样采用R o g e r s R O 3 0 0 3。图9(e)为基底同时作为闵可夫斯基分形贴片的地板和带状线结构的上表面地板。天线地板中上部的H形槽用于实现贴片天线与射频电路之间的高效孔径耦合。基板间的粘合层采用R o g e r s 4 4 5 0 B,其介电常数为3.5 2,介电损耗正切角为0.0 0 3,高度h2=0.1 mm,配合R o g e r s R O 3 0 0 3基板使用,使介电参数的一致性最大化,简化设计过程。整个透射型S C S M S S单元结构从上到下依次为:金属方形贴片、介质基板、粘合层、闵可夫斯基分形贴片、介质基板、粘合层、带H型缝隙的金属背板、介质基板、粘合层、对称的射频电路结构(中间由金属化通孔相连)、粘合层、介质基板、带H型缝隙的金属背板、粘合层、介质基板、闵可夫斯基分形贴片、粘合层、介质基板、金属方形贴片。入射电磁波由单元结构上表面入射,经过上表面天线结构耦合至背接射频电路部分,再经射频电路部分对相位延迟进行调控后耦合至下表面天线结构部分,最后由下表面天线结构向自由空间辐射。使用软件C S T,在1 6 2 8 GH z的频率范围内,对图9中所示的单元结构进行了数值模拟和优化。仿真过程分为2个步骤:第1步对周期边界条件下的单元结构的天线效率进行了仿真和优化。仿真时,射频电路终端接匹配端口,传输系数就表示电磁波由自由空间耦合至射频电路的效率。优化的传输系数结果如图1 0所示。可以看出,从1 9.8 62 4.9 2 GH z的传输效率高于-0.5 d B,这意味着在这个频率范围内,优化后的单元结构可以将空间入射波高效率地耦合至背接射频电路中。第2步,仿真了单元结构的透射特性,研究了不同长度的背载电路的透射系数和相位分布。从图1 1可以看出,在2 1 GH z附近,当L从2.1 mm变化到5.9 mm(其中L=l1+l2)时,透射系数的幅度保持大于-0.7 d B,相位变化范围覆盖3 6 0。从仿真结果可以看出所设计的透射型S C S M S基本单元结构能够满足异常折射所需的透射率和相位变化范围要求。优化后的结构几何参数为:h1=0.2 5 4 mm,h2=0.2 5 4 mm,p=5 mm,a=3.2 mm,b1=2.1 mm,b2=0.4 mm,b3=0.5 mm,c1=1.5 mm,c2=1.9 mm,c3=0.3 mm,c4=0.2 mm,w1=0.2 mm,w2=0.6 mm。(a)从开放自由空间传输到电路终端的设置(b)电路负载端子传输的仿真结果图1 0 单元结构的天线效率仿真分析12第3期 司马博羽,等:基于表面-电路-表面型超表面的大旋转角度异常反射和异常折射(a)模拟的折射系数变化曲线(b)折射系数的模拟相位变化曲线图1 1 不同背载电路长度的折射S C S M S S元件的模拟结果2.3 异常折射S C S M S S整体结构设计在本节中,设计了一个1 21 2单元的异常折射S C S M S,见图1 2。该S C S M S可以在2 1 GH z附近,将y极化斜0 入射的平面波异常折射至5 0 方向。根据第2.1节,为了实现所设计的异常折射,并考虑单 元 周 期 间 隔,相 邻 元 件 之 间 的 相 位 差 应 为1 4 6.2 6。据此,仿真设计了1 2个代表性基础单元(包括L=3.4 mm,L=4.5 mm,L =5.6 mm,L =2.7 mm,L=3.7 mm,L=4.8 mm,L =5.9 mm,L =2.9 mm,L=4.0 mm,L =4.0 mm,L=2.1 mm,L=3.3 mm),并将它们进行一维阵列排布,排布方式见图1 2(b)。(a)三维视图的整个折射S C S M S S结构(b)电路背载层的三维视图图1 2 折射S C S M S S设计异常折射理论的与仿真得到的沿x轴方向的相位分布对比见图1 3。可以看出,所设计的单元在2 1 GH z处的相位分布与理论上的要求吻合较好。图1 3 沿x轴折射相位分布图为了证明所提出的S C S M S S可以对y极化0 入射的平面波进行高效率的异常折射,对S C S M S和相同尺寸的自由空间的透射情况进行了全波仿真并进行了对比。为了模拟平面波入射的情况,使用波端口激励一个足够大的金属板并在金属板中间开槽,槽的大小正好与S C S M S相当,将S C S M S嵌在这个金属板中间。用平面波照射,模拟平面波垂直入射S C S M S的情况。如图1 4(a)(d)所示,通过全波仿真,分别得到在2 1 GH z处的放置S C S M S时以及空置情况下的电场分布图和能流密度分布图。(a)中间放置S C S M S的金属板的透射场能流密度分布(b)中间放置S C S M S的金属板的透射场电场场强分布(c)空置情况下金属板的透射场能流密度分布(d)空置情况下金属板的透射场电场场强分布图1 4 透射场分布对比图可以看出,在y极化垂直入射情况下,所提出的折射S C S M S S可以在2 1 GH z处实现高效的异常折射,折射角达到5 0。为了计算异常折射效率,对于放置S C S M S的情况,在距离S C S M S结构中心8 0 mm处,构造一个与S C S M S中心法线方向垂直的足够大平面(1 0 0 mm1 0 0 mm),并将该平面围绕S C S M S结构中心逆时针旋转5 0。对该平面内的沿5 0 方向传播的电磁能流密度进行积分得到电磁波能流功率为1.3 2 2 V A。空置的情况下,同样距离镂空中心8 0 mm,与中心法线垂直构造相同大小的平面,对该平面范围内沿法线方向传播的能流密度进行积分得到能流功率为1.6 8 6 V A。相比后得到所设计的S C S M S异常折射效率接近7 9%。对于5 0 的大旋转角度这一效率值也基本接近理论极限值。22空军工程大学学报2 0 2 3年3 实验测试根据前述设计的基于表面-电路-表面型超表面的大旋转角度异常反射S C S M S仿真模型,我们加工了对应的实物样品并进行了实验测试。实物测试系统和实验样品如图1 5所示。将加工样品至于微波暗室中,在距离样品5 m处(保证远场条件)放置发射喇叭和接收喇叭。发射喇叭和接收喇叭分别连接矢量网络分析仪的端口1和端口2。发射喇叭和接收喇叭都对准样品,极化方向均为垂直极化。发射喇叭位于和样品法线夹角2 0 方向的延迟线上,接收喇叭位于和样品法线夹角5 0 方向的延迟线上。测量流程包括3个部分:首先测量样品的S2 1结果;然后将样品换成同样尺寸大小的金属板,并将接收喇叭放置于和样品法线夹角-2 0 方向的延迟线上,测量此时的S2 1结果;最后用金属板的测量结果对样品的结果进行归一化得到归一化的2 0 入射条件下的样品在5 0 方向上的单站R C S值。(a)测试系统原理图(b)测试系统实物图以及加工样品放大图图1 5 测试系统和测试样品图图1 6为测试并归一化处理后得到的样品R C S随频率变化曲线结果和仿真结果的对比。可以看出测试结果和仿真基本相同,在2 1.5 GH z,归一化R C S高于-2 d B,说明该S C S M S结构可以将大部分能量反射至所需的方向,实现高效率的异常反射。测试结果和仿真结果的细微差别可能是由于加工和测量误差导致,从整体效果看误差在可以接受的范围内。综上所述,测试和仿真结果均证明了该基于表面-电路-表面架构的超表面设计可以实现高效率的大角度异常反射。图1 6 单站R C S测试和仿真结果对比4 结语由于传统的相位梯度超表面相邻单元结构图案尺寸不完全一致,当差异较大时,会存在不必要的单元间耦合效应,导致异常反射和折射效率降低。本文针对这一问题,提出了一种基于来实现高效率异常反射和折射的方法。与传统的P GM不同,S C-S M S首先通过表面天线将入射空间电磁波转换为导行波,然后通过调整背接电路的长度来实现相位梯度分布。最后,通过表面天线将波传回自由空间,从而实现想要的波前控制。通过这种方法,可以消除不必要的单元间耦合效应。为了验证这一思想,本文设计了2种S C S M S分别来实现异常反射和折射。对所设计的S C S M S进行了全波仿真,仿真结果表明,所设计的反射式S C S M S在2 1.5 GH z处可以实现偏转角为7 0 的高效大角度异常反射,异常反射效率达到6 8%;所设计的透射式S C S M S可以在2 1 GH z处实现偏转角为5 0 的高效异常折射,异常折射效率接近7 9%。根据所设计的异常反射S C-S M S加工了实物样品并进行了实验测试。实验结果与仿真结果吻合。验证了采用表面-电路-表面型超表面在消除单元间不必要的耦合实现大角度高效率异常反射和折射方面的优势,也为S C S M S结构在其他电磁波调控方向上应用提供了有利参考。参考文献1 YU N,G E N E V E T P,KA T S M A,e t a l.L i g h t P r o p a-g a t i o n w i t h P h a s e D i s c o n t i n u i t i e s:G e n e r a l i z e d L a w s o f R e f l e c t i o n a n d R e f r a c t i o n J.S c i e n c e,2 0 1 1,3 3 4(6 0 5 4):3 3 3-3 3 7.2YU N F,C A P A S S O F.F l a t O p t i c s:C o n t r o l l i n g W a v e f r o n t s w i t h O p t i c a l A n t e n n a M e t a s u r f a c e s C/2 0 1 3 I E E E A n t e n n a s a n d P r o p a g a t i o n S o c i e t y I n t e r n a-t i o n a l S y m p o s i u m(A P S UR S I).P i s c a t a w a y:I E E E 32第3期 司马博羽,等:基于表面-电路-表面型超表面的大旋转角度异常反射和异常折射P r e s s,2 0 1 4:2 3 4 1-2 3 4 2.3CHE N H T,TAY L O R A J,YU N F.A R e v i e w o f M e t a s u r f a c e s:P h y s i c s a n d A p p l i c a t i o n sJ.R e p o r t s o n P r o g r e s s i n P h y s i c s,2 0 1 6,7 9(7):0 7 6 4 0 1.4许河秀,王彦朝,王朝辉,等.基于多元信息的多功能电磁集成超表面研究进展J.雷达学报,2 0 2 1,1 0(2):1 9 1-2 0 5.5G L Y B OV S K I S B,T R E T YAKOV S A,B E L OV P A,e t a l.M e t a s u r f a c e s:F r o m M i c r o w a v e s t o V i s i b l eJ.P h y s i c s R e p o r t s,2 0 1 6,6 3 4:1-7 2.6HE Q,S UN S L,X I AO S Y,e t a l.H i g h-E f f i c i e n c y M e t a s u r f a c e s:P r i n c i p l e s,R e a l i z a t i o n s,a n d A p p l i c a-t i o n s J.A d v a n c e d O p t i c a l M a t e r i a l s,2 0 1 8,6(1 9):1 8 0 0 4 1 5.7KHO R A S AN I N E J A D M,A I E TA F,KANHA I YA P,e t a l.A c h r o m a t i c M e t a s u r f a c e L e n s a t T e l e c o m-m u n i c a t i o n W a v e l e n g t h s J.N a n o L e t t e r s,2 0 1 5,1 5(8):5 3 5 8-5 3 6 2.8KHO R A S AN I N E J A D M,CHE N W T,D E V L I N R C,e t a l.M e t a l e n s e s a t V i s i b l e W a v e l e n g t h s:D i f f r a c-t i o n-L i m i t e d F o c u s i n g a n d S u b w a v e l e n g t h R e s o l u t i o n I m a g i n gJ.S c i e n c e,2 0 1 6,3 5 2(6 2 9 0):1 1 9 0-1 1 9 4.9S HR E S THA S,OV E R V I G A C,L U M,e t a l.B r o a d b a n d A c h r o m a t i c D i e l e c t r i c M e t a l e n s e s J.L i g h t:S c i e n c e&A p p l i c a t i o n s,2 0 1 8(7):8 5.1 0S UN S L,YANG K Y,WAN G C M,e t a l.H i g h-E f-f i c i e n c y B r o a d b a n d A n o m a l o u s R e f l e c t i o n b y G r a d i e n t M e t a-S u r f a c e s J.N a n o L e t t e r s,2 0 1 2,1 2(1 2):6 2 2 3-6 2 2 9.1 1WU P C,T S A I W Y,CHE N W T,e t a l.V e r s a t i l e P o l a r i z a t i o n G e n e r a t i o n w i t h a n A l u m i n u m P l a s m o n i c M e t a s u r f a c e J.N a n o L e t t e r s,2 0 1 7,1 7(1):4 4 5-4 5 2.1 2X U H X,S UN S L,T AN G S W,e t a l.D y n a m i c a l C o n t r o l o n H e l i c i t y o f E l e c t r o m a g n e t i c W a v e s b y T u n a b l e M e t a s u