Интегрированная ширкополосная кодируемая метаповерхность для одновременного настраиваемого излучения и низкого рассеяния

Аннотация

Представлена новая кодируемая электромагнитная метаповерхность (EMMS), объединяющая ширкополосное настраиваемое излучение с низкорассеивающим поведением. Анизотропные элементарные ячейки с противоположными фазовыми откликами на x- и y-поляризованное падение определены как бинарные элементы «0» и «1». С помощью оптимизации отжига эти элементы размещены в массив 4×4, обеспечивающий ширкополосное диффузное рассеяние и позволяющий метаповерхности функционировать как антенна. При питании с согласованной амплитудой и фазой массив излучает линейно поляризованные (LP) волны; при фазовом сдвиге 90° достигается лево- или правосторонняя круговая поляризация (L/RHCP). Полноволновое моделирование и экспериментальные замеры подтверждают двойную функциональность и демонстрируют простую, универсальную парадигму проектирования интегрированных EMMS решений.

Введение

Электромагнитные метаповерхности (EMMS) — инженерные двухмерные массивы субволновых резонаторов, управляющие фазой, амплитудой и поляризацией падающих волн. Их тонкий профиль, конформируемость и дешевая фабрикация стимулировали исследования в области формирования волнового фронта, преобразования поляризации и поглощения. Анизотропные частицы расширяют дизайнерское пространство, позволяя функции, недоступные изотропным элементам: произвольное линейно-линейное или линейно-круговое преобразование поляризации, идеальное поглощение через близкое поле, высокопроизводительные фазовые разрывы для линз, голограмм и невидимок.

Недавно кодируемые EMMS стали мощной парадигмой управления ЭМ волнами. Бинарное или многобитное кодирование присваивает дискретные фазовые состояния (напр., 0° и 180° для 1-бит) элементарным ячейкам, позволяя произвольные пространственные фазовые паттерны. Внедрение перенастраиваемых или программируемых элементов расширяет эти метаповерхности до настраиваемых и адаптивных применений. Хотя большинство дизайнов кодируемых EMMS фокусируются на контроле рассеяния, их внутренние излучающие способности в значительной степени игнорировались.

Наша работа заполняет этот пробел, проектируя анизотропную кодируемую метаповерхность, одновременно обеспечивающую ширкополосное низкорассеивающее поведение и настраиваемое излучение. Тщательным выбором геометрии элементарной ячейки достигнуты комплементарные фазовые отклики для ортогональных поляризаций, позволяя метаповерхности служить эффективной антенной при соответствующем питании.

Методы

На рис. 1 изображены геометрия элементарной ячейки и полученная 4×4 кодируемая метаповерхность. Два слоя FR-4 (εr=2,65, tan δ=0,002) толщиной 3 мм и 0,5 мм сложены без воздушных зазоров. На верхнем слое вытравлены четыре 4×4 бабочкообразных патча (36×36 мм), на нижнем — узкая щелевая заземляющая плоскость (15,5×0,2 мм) для обеспечения почти идеального отражения. Ячейка «1» (рис. 1b) и ее повернутая на 90° копия «0» (рис. 1c) демонстрируют противоположные фазовые отклики при ортогональной поляризации. Оптимальная раскладка 0/1 получена алгоритмом имитации отжига (SAA), минимизирующим пиковый массивный фактор, тем самым максимизируя диффузное рассеяние. Параметры SAA: начальная температура 100, коэффициент охлаждения 0,9, конечная температура 0, 1000 итераций.

Для моделирования излучения каждая ячейка возбуждается сгустным портом, а 50 Ом SMA соединяется с узким прямоугольным патчем (13×1,3 мм) через отверстие в нижнем подложке для согласования импеданса. Узкая щель в заземляющей плоскости вводит энергию в верхний слой, обеспечивая излучение в направлении зенита. Рис. 2 показывает 1-дБ полосу 5–6 ГГц (18,2% относительная полоса) и стабильный зенитный коэффициент усиления 7 дБи. Излучательные диаграммы в E- и H-плоскостях симметричны и направлены в зенит.

Модальный анализ (FEKO 7.0) показывает, что первые две ортогональные моды (мода 1 при 5,32 ГГц, мода 2 при 5,72 ГГц) доминируют в ширкополосном отклике, тогда как высокопорядковые моды подавлены. Рис. 3 визуализирует поверхностные токи для мод 1–4, иллюстрируя фундаментальную ортогональную пару мод, отвечающую за желаемое излучение.

Рассеивающие характеристики оценивали через порты Флоке. Графики фазы отражения (рис. 5a) показывают 180° разность фаз между ячейками «0» и «1» в диапазоне 2–18 ГГц, тогда как модули отражения остаются близки к единице (рис. 5b). Этот фазовый контраст обеспечивает ширкополосное гашение энергии, давая низкое ЭПР (RCS). Полноволновые симуляции подтверждают 6-дБ снижение RCS от 5 до 18 ГГц, с двумя провалами при 5,9 и 10,4 ГГц, достигающими до 31,8 дБ подавления RCS.

Результаты и обсуждение

Поведение кодируемой метаповерхности понятно через классическую теорию массивов. Для излучения равномерные амплитуды питания создают ортогональные векторные поля; относительная фаза питания управляет выходной поляризацией: 0° (или 180°) дает LP, 90° смещение генерирует RHCP. Рассмотрены две представительные рабочие точки.

При согласованной амплитуде и фазе (ϕ₀=ϕ₁=0°) массив излучает LP в диапазоне 4,97–6,05 ГГц (19,6% полоса) с зенитным усилением 12,6–17,4 дБи. Диаграммы остаются симметричными в обеих плоскостях (рис. 6).

Для RHCP 90° фазовый сдвиг между питаниями дает 3-дБ полосу по коэффициенту осевого отношения 5,22–6,00 ГГц (13,9% полоса) и зенитное усиление 13,2–15,8 дБи (рис. 7).

Мгновенные распределения электрического поля при 5,35 ГГц (рис. 8) подтверждают: LP излучение возникает от вфазного возбуждения обоих типов ячеек, тогда как CP излучение — от 90° фазового сдвига, предпочтительно возбуждающего один тип ячеек за раз.

Результаты рассеяния (рис. 9) показывают непрерывное 6-дБ снижение RCS в диапазоне 5–18 ГГц, с двумя выраженными провалами до 31,8 дБ. Эволюция диаграмм (рис. 9c–e) демонстрирует восемь слабых лепестков вместо четырех доминирующих лепестков обычной шахматной раскладки, подтверждая эффективное диффузное рассеяние. Моделирование при косом падении (рис. 10) и измерения рассеяния (рис. 11) дополнительно верифицируют ширкополосное низкорассеивающее поведение до углов 60°.

Изготовленная 4×4 метаповерхность тестировалась в безэховой камере. Измеренные S11 и полоса по коэффициенту осевого отношения (рис. 13a) хорошо согласуются с симуляциями, достигая 5,22–6,02 ГГц (14,2% полоса). Излучательные диаграммы (рис. 13b–c) подтверждают симметричное, зенитное, RHCP излучение с боковыми лепестками как минимум на 10 дБ ниже главного. Измерения рассеяния (рис. 13d) демонстрируют 6-дБ снижение RCS от 5 до 18 ГГц, с пиками при 6,1 и 10,2 ГГц, достигающими 26 и 31 дБ соответственно.

Заключение

Продемонстрирована кодируемая EMMS, одновременно обеспечивающая ширкополосное настраиваемое излучение и ширкополосное низкорассеивающее поведение. Используя анизотропные элементарные ячейки с ортогональными фазовыми откликами и оптимизируя их бинарную раскладку методом имитации отжига, метаповерхность работает как эффективная антенна (LP или CP), достигая 6-дБ снижения RCS от 5 до 18 ГГц. Эта двойная функциональность предлагает простую, масштабируемую платформу для поляризационно-перенастраиваемых антенн, стелс-приложений и далее.

Аббревиатуры

ARBW

Полоса по коэффициенту осевого отношения

EM

Электромагнитный

EMMS

Электромагнитные метаповерхности

L/RHCP

Лево- или правосторонняя круговая поляризация

LP

Линейная поляризация

PCB

Печатная плата

RCSR

Снижение эффективной площади рассеяния

SAA

Алгоритм имитации отжига