Fund Project:Project supported by the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2017YFA0700201), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61801207, 91963128, 61731010), the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China, and the Jiangsu Key Laboratory of Advanced Techniques for Manipulating Electromagnetic Waves, China.
Received Date:23 February 2021
Accepted Date:12 April 2021
Available Online:07 June 2021
Published Online:05 September 2021
Abstract:Programmable metasurfaces incorporating with tunable materials or components are emerging as an attractive option to realize reconfigurable manipulations of electromagnetic (EM) behaviors in real-time. Many efforts have been devoted to the realization of active EM manipulations of the metasurface and significant progress has been achieved, showing their unprecedented ability to arbitrarily manipulate wavefronts in dynamic functions. However, most of the existing multi-beam metasurfaces are based on passive building blocks, only possessing one or a few functions, which cannot provide tunable and independent multi-beam control, thus limiting their further uses in wireless communications. Hence, a 1-bit coding metasurface with high-efficiency, programmable, and independent multi-beam control is proposed in this paper, providing dynamic EM responses with real-time reconfigurability, and controlled by external digital circuits through direct current (DC) bias networks. Specifically, the meta-atom loaded with PIN diodes is employed to achieve independently tunable phase characteristics, thus complex EM functions can be manipulated by redistributing the spatial phases of the metasurface. Symmetric/asymmetric independent dual- and multi-beam manipulations are analyzed theoretically and simulated by EM software. Then as an experimental verification, a metasurface consisting of 14 × 14 meta-atoms is fabricated and tested in a standard microwave anechoic chamber, and the measured results accord well with the simulations. The proposed metasurface has promising ability to generate the arbitrary and independent multi-beams, which may largely enhance the information capacity of the metasurfaces, offering untapped potentials in wireless communication systems. Keywords:coding metasurface/ programmable/ dual-beam/ independent control
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--> --> --> 1.引 言超构表面是一种由亚波长单元结构周期或非周期排布在二维平面上的人工复合电磁材料. 通过对电磁波频率、幅度、相位和极化等固有性质的调控[1-5], 可实现异常反射[3]、电磁隐身[6]和漫反射[7]等功能, 在波束聚焦[8]、全息成像[9]和天线设计[10]等方面具有良好的应用前景. 相比于传统的人工电磁材料, 超构表面由于其厚度远小于工作波长, 可大大缩减电磁器件的厚度, 更有利于实现器件小型化、平面化、多样化[11-14]. 近年来, 随着超构表面研究的不断深入, 采用全数字表征的编码超构表面为动态电磁波调控提供了新的机制和发展契机[15,16]. 这类超构表面单元的电磁特性通常采用二进制数字编码的形式来表征, 即数字比特0和1, 因此可将编码超构表面与有源调控相结合, 通过在电磁超构表面单元中加载二氧化钒[17]、石墨烯[18]、电可调二极管[19]等有源材料或元件的方式, 构造具有动态电磁响应的基本码元. 在此基础上, 进一步与现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)或单片机控制电路相结合, 通过动态地控制数字硬件系统实时输出高电平或低电平, 实现可编程超构表面空间相位的动态可调, 进而实现电磁波近远场特性的实时、动态调控[15-19]. 相比于依靠单元尺寸变化来调控电磁响应的无源超构表面, 这种数字可调的设计思路提供了动态可调的相位响应, 打破了无源结构中电磁功能一经设计完成便很难或无法改变的设计局限, 不仅适用于反射型超构表面设计, 还可以拓展至透射型超构表面以及透/反型超构表面进行全空间散射场实时调控[20-23], 提高了电磁超构表面的应用范围和功能利用效率. 随着现代无线通信技术的飞速发展, 人们对于通信速度和通信质量的要求也日益提高, 能够实现多通道传输的功能器件一直是超构表面领域研究的热点. 在无线通信系统中, 多波束天线能够对多目标区域实现同时覆盖, 并利用空间波束隔离实现多通道传输, 有助于提高系统的通信容量. 作为实现多波束天线技术的有效技术方案, 相控阵天线通过将阵列单元连接到不同的馈电端口形成相位或幅度控制来产生多波束, 利用空间波束复用实现多信道传输, 很大程度上提高了频率利用效率[24]. 这种基于复杂移相器网络进行高精度相位和幅度控制的相控阵天线性能稳定, 波束调控灵活, 但是馈电网络复杂、成本较高, 同时存在体积较大的问题, 不利于小型化平面化设计. 相比于规模庞大的相控阵天线, 反射阵天线设计简单、成本更低, 可结合具有相位调制特性的超构表面单元, 利用几何分区、口径场叠加以及交替投影等方法实现多波束辐射[24,25], 波束调节方式更灵活. 但是目前大多数现有的多波束反射阵天线主要由无源超构表面单元组成, 单元电磁响应固定, 一经设计完成其功能也相对固定, 并不能实现动态的波束扫描, 无法满足动态的用户需求, 这在很大程度上限制了其在实际中的应用 [26,27]. 在环境复杂化、应用多样化的发展需求之下, 有源编码超构表面的提出为实现动态波束调控提供了新的实现方式. 但是迄今为止, 基于有源超构表面实现的反射阵天线大都仅能实现上半空间的单波束动态扫描, 或者受限于有源控制电路的设计问题以及多波束实现方法的局限性[24,25], 并不能实现任意的对称、非对称多波束动态调控. 因此, 如何实现高效率、低成本、波束调控灵活的可编程多波束独立调控超构表面一直是多通道传输领域研究的难点. 本文基于1-比特编码超构表面提出了一种多波束独立可重构的设计思想, 并通过在超构表面单元上加载PIN二极管与单片机控制电路相结合的方式, 实现了动态、独立的多波束电磁波调控. 该编码超构表面工作于微波X波段, 由14 × 14个编码单元组成. 其中, 每个单元的电磁响应动态可调, 由控制电路提供196路独立电压调控. 仿真与测试结果表明, 编码超构表面可在上半空间实现灵活的波束设计, 能够按照需求辐射多个独立的、覆盖不同角域的定向波束, 从而实现多信道电磁波传输, 为其进一步在多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)通信系统中的研究奠定基础. 2.单元结构仿真分析为实现独立、动态多波束电磁调控功能, 我们设计并研究了一个由三层金属两层介质基板组成的反射型超构表面单元, 如图1(a)所示. 该超单元由3 × 3个相同的子单元组成. 为了清晰地表述结构特征, 我们分别给出了三层金属结构的平面示意图, 如图1(b)—(d)所示. 顶层金属结构采用 “工”字型拓扑结构. 其中, “工”字型金属结构的中间截断并焊接PIN二极管, 较长的金属臂作为PIN二极管的负极与周围单元相连, 而金属臂较短的一端焊接PIN二极管的正极. 作为正极的金属臂上刻蚀直径0.6 mm 的金属通孔, 并穿过两层介质基板与底层的“田”字型馈电网络相连接, 如图1(d)所示. 3×3个子单元工作于相同的状态, 作为超构表面的一个独立码元. 中间层金属结构(图1(c))主要是为了保证编码单元工作于反射模式. 为实现单元独立馈电, 在中间层金属结构相应位置上刻蚀掉直径1 mm的金属圆孔, 与作为直流馈电的金属通孔实现有效电隔离. 图 1 (a) 超构表面单元结构示意图; (b)单元顶层金属结构示意图; (c)单元中间层金属结构示意图; (d)单元底层金属结构示意图; (e) 单元结构反射相位曲线; (f) 单元结构反射幅度曲线 Figure1. (a) Schematic of the coding metasurface elements; (b) schematic of the top-layer of metal structure; (c) schematic of the middle-layer of metal structure; (d) schematic of the bottom-layer of metal structure; (e) reflection phases of the elements; (f) reflection amplitudes of the elements.
基于以上设计, 利用电磁仿真软件CST Microwave StudioTM (CST)对单元结构进行了电磁波全波仿真分析. 仿真时, 单元周向采用周期性边界条件, 纵向设为开放边界. 综合考虑仿真结果及样品制备要求, 最终得出单元的结构参数:单元周期p = 18 mm, 上层介质基板厚度h = 3.0 mm, 以及其他结构参数a = 0.5 mm, b = 1.3 mm, c = 2.4 mm, l = 4.6 mm, w = 0.2 mm, w1 = 0.2 mm. 金属结构选用电导率为5.8 × 107 S/m的铜, 两层介质基板均选用相对介电常数εr = 2.2的聚四氟乙烯, 损耗角正切tan δ = 0.001. PIN二极管型号为SMP1320-079LF, 仿真时利用等效电路模型模拟其开关(ON/OFF)状态, 进而通过精细的谐振单元结构优化来构造1-比特编码单元. 具体地, 当二极管工作于“ON”状态时, 等效为电阻与电感的串联形式, R = 0.5 Ω, L = 0.7 nH;当二极管工作于“OFF”状态时, 等效为电容与电感的串联形式, L = 0.5 nH, C = 0.24 pF. 需要注意的是, 1-比特编码通常有0o和180o两种反射相位, 但这并不代表单元的绝对反射相位, 而是指两种单元状态之间的相位差满足180°即可实现1-比特编码超构表面. 单元结构的反射相位与反射幅度曲线分别如图1(e)和图1(f)所示. 此时在工作频点9 GHz处, “1”和“0”两种码元近似满足相位差180o, 且反射幅度均大于0.95, 因此能够实现高效的电磁相位调控. 此外, 编码超构表面研究中, 我们通常只关注相位差满足180o的频点, 而在实际应用中, 当反射相位差处于180o ± 20o范围内时, 编码超构表面都能正常工作.
3.理论分析在超构表面单元研究与设计的基础上, 将进一步验证其对双波束、多波束的动态电磁波调控功能, 并结合反射阵天线理论分析独立双波束、多波束的产生方法, 最终形成多波束独立调控的可编程超构表面天线. 如图2(a)所示, 假设可编程超构表面由M × N个单元组成, 以超构表面的几何中心为坐标原点. 平面波入射条件下, 为实现波束定向辐射(θ0, φ0), 超构表面第(m, n)单元的相位分布需满足[10]: 图 2 (a) 超构表面波束调控示意图; (b) 双波束(30o, 0o)和(20o, 180o)离散相位分布图; (c) 双波束(30o, 0o)和(20o, 180o)u-v平面归一化远场方向图($ u=\mathrm{sin}\theta \mathrm{cos}\phi , v=\mathrm{sin}\theta \mathrm{sin}\phi $) Figure2. (a) Schematic of the metasurface for three-dimension beam-control; (b) the calculated discretized phase distributions for the radiation directions of (30o, 0o) and (20o, 180o); (c) the calculated normalized radiation patterns in uv-plane ($ u=\mathrm{sin}\theta \mathrm{cos}\phi $, $ v=\mathrm{sin}\theta \mathrm{sin}\phi $).
4.编码超构表面仿真分析在无线通信系统中, 每个波束都可视为一个独立的信道, 设计能够覆盖多角度区域的超构表面是实现多信道传输的关键. 本文将反射阵天线理论与编码超构表面相结合, 通过在超构表面单元中加载有源元件并与单片机控制电路相结合, 设计了一种可在空间上进行任意独立波束调控的可编程超构表面. 超构表面由14 × 14个可进行独立相位调制的基本编码单元组成, 阵元尺寸252 mm × 252 mm. 考虑到馈电网络以及安装固定, 在阵面周围预留了一定的空间, 最终设计完成的超构表面总尺寸为270 mm × 280 mm. 通过合理排布直流馈电网络, 并结合单片机控制电路, 来实现对电可调元件的实时调控, 进而实现动态波束扫描功能. 超构表面设计时以X波段的标准开口波导天线(BJ100)作为馈源, 焦距F = 150 mm. 利用商用软件CST进行全波电磁仿真验证. 仿真时, 四周边界条件设为开放边界, 电场极化方向沿x方向. 首先利用超构表面实现了对称双波束设计, 如图3(a)和图3(b)所示, 编码图案中的蓝色与黄色分别代表“0”和“1”两种码元. 通过优化编码序列, 超构表面可在不同的二维平面上分别产生对称双波束, 并且改变编码图案, 双波束在二维平面内的波束辐射角度θ会同时发生改变, 实现动态的对称波束扫描功能. 图3(c)和图3(d)给出了超构表面在xoz-平面以及yoz-平面内的二维归一化远场方向图的仿真结果, 此时双波束的偏折角度依次为 ±10o, ±20o, ±28.5o, ±38o, 与波束预设结果 ±10o, ±20o, ±30o, ±40o基本吻合. 角度的误差主要是由于相位离散误差以及单元间耦合造成的. 此外, 由于馈源波导E面(E-plane)与H面(H-plane)辐射方向图的不对称性, 使得超构表面在xoz-平面和yoz-平面上远场仿真结果存在差异, 但是这并不影响超构表面的辐射性能, 所设计超构表面仍然在xoz-平面和yoz-平面内具有对称双波束辐射的能力. 图 3 (a) 超构表面在xoz-平面实现对称双波束扫描功能示意图; (b) 超构表面在yoz-平面实现对称双波束扫描功能示意图; (c) 超构表面在xoz-平面上的远场仿真结果; (d) 超构表面在yoz-平面上的远场仿真结果 Figure3. (a) Schematic of the symmetric-beam scanning of the metasurface in xoz-plane; (b) schematic of the symmetric-beam scanning of the metasurface in yoz-plane; (c) the simulated radiation patterns of the metasurface in xoz-plane; (d) the simulated radiation patterns of the metasurface in yoz-plane.