Anisotrope metasurface coderen met geïntegreerde breedband afstembare straling en lage verstrooiingsprestaties

Resultaten en discussie

In zekere zin kan het verstrooiingsproces worden begrepen door EM-golfreflectie om te zetten in een herstralingsproces. Daarom, voor een M × N EMMS-array, het werkingsprincipe voor zowel stralings- als verstrooiingsgevallen kan worden geïnterpreteerd door de standaard array-theorie [47]:

waarbij EP de patroonfunctie is van een enkel element, AF is de matrixfactor, k is het golfnummer, Δx en Δy zijn de afstanden tussen aangrenzende elementen langs x - en y -richtingen, respectievelijk, ϕ (m , n ) is de fase van de (m , n ) element, en θ en φ zijn de elevatie en azimuthoek van een inval. Voor de eenvoud zijn de subscripts van E _totaal en E _totaal in de volgende analyse geven gevallen van respectievelijk straling en verstrooiing aan.

Voor het stralingsgeval werken alle anisotrope elementen als stralers wanneer ze op de juiste manier worden gevoed. Natuurlijk zouden de elementen "0" en "1" twee orthogonaal gepolariseerde elektrische velden produceren, namelijk EP_'0' ⊥ EP_'1' . Vervolgens hangt de polarisatie van de uitgestraalde EM-golf van EMMS af van de amplitude en fase van de voedingsbronnen. Ervan uitgaande dat het ingangsvermogen van elk element gelijk is, zou men |EP_'0' . hebben | = |EP_'1' |. ϕ (m , n ) zou de invoerfase van voedingsbronnen vertegenwoordigen. Dus in de normale richting met (θ , φ ) = (0 ^∘ , 0 ^∘ ), vgl. (1) wordt vereenvoudigd als \( {E}_{\mathrm{rtotal}}=8\left({\mathrm{EP}}_{\hbox{'}0\hbox{'}}{e}^ {j{\phi}_{\hbox{'}0\hbox{'}}}+{\mathrm{EP}}_{\hbox{'}1\hbox{'}}{e}^{j{ \phi}_{\hbox{'}1\hbox{'}}}\right) \) voor de voorgestelde EMMS. Als ϕ _'0' − ϕ _'1' = 0 ^° of ± 180 ^° , zou de totale straling LP zijn binnen de diagonale vlakken. Als ϕ _'0' is 90° voor ϕ _'1' , zou het totale uitgestraalde veld RHCP zijn. Anders, als ϕ _'0' valt 90° achter ϕ _'1' , zou LHCP-straling worden gegenereerd. Samenvattend kan de polarisatie van het uitgestraalde veld van de EMMS naar believen worden aangepast door de ingangsfasen van "0" en "1" elementen te regelen.

Kortheidshalve zijn er slechts twee representatieve gevallen betrokken bij de volgende analyse. Alle “0” en “1” elementen worden in beide gevallen met hetzelfde vermogen gevoed. Aan de ene kant, in termen van ϕ _'0' = ϕ _'1' = 0 ^° , worden LP-stralingsprestaties verkregen zoals weergegeven in Fig. 6. Goede impedantie-aanpassing wordt bereikt van 4,97 GHz tot 6,05 GHz (19,6% relatieve bandbreedte), terwijl de versterking in normale richting varieert van 12,6 dBi tot 17,38 dBi in de werkingsband. Symmetrische stralingspatronen worden waargenomen in de breedterichting voor zowel E- als H-vlakken, zoals duidelijk wordt getoond in Fig. 6b. Aan de andere kant, wanneer ϕ _'1' − ϕ _'0' = 90 ^° RHCP-straling wordt zoals verwacht waargenomen. Zoals getoond in Fig. 7, is de bandbreedte voor S₁₁ <− 10 dB en 3 dB axiale ratio bandbreedte (ARBW) is respectievelijk 4,97~6 GHz en 5,22~6 GHz. De gemeenschappelijke bandbreedte voor S₁₁ <− 10 dB en 3 dB ARBW is van 5,22 GHz tot 6 GHz (13,9% relatieve bandbreedte), met een bereikversterking variërend van 13,16 dBi tot 15,8 dBi. Evenzo worden symmetrische, brede en normale stralingsprofielen waargenomen in de 3D-stralingspatronen op 5,35, 5,5 en 5,75 GHz.

Lineaire stralingseigenschappen van de EMMS met "0" en "1" gevoed met gelijke grootte en fase. een Reflectiecoëfficiënt S₁₁ en boresight-versterking versus frequentie. b 3D LP-stralingspatronen op 5,35, 5,5 en 5,75 GHz (van links naar rechts)

RHCP-stralingseigenschappen van de EMMS met "0" en "1" gevoed met gelijke grootte en 90 ° faseverschuiving. een S₁₁ en AR versus frequentie. b Boresight-winst versus frequentie. c 3D RHCP-stralingspatronen op 5,35, 5,5 en 5,75 GHz (van links naar rechts)

Uit de bovengenoemde analyse kan worden geverifieerd dat de voorgestelde EMMS kan fungeren als een goede antenne en alternatief kan uitstralen in lineaire polarisatie- en circulaire polarisatiemodi door de invoermagnitudes en fasen te regelen. Ondertussen geven de gesimuleerde resultaten aan dat de werkbandbreedte van het voorgestelde EMMS goed blijft in vergelijking met een enkel anisotroop element, dat de effectiviteit van onze voorgestelde methode verifieert. Om een ​​intuïtief inzicht te krijgen in de werkingsmechanismen van het EMMS voor verschillende stralingsmodi, worden de elektrische veldverdelingen op 5,35 GHz met verschillende tijdsvarianten onderzocht. Het wordt duidelijk getoond in Fig. 8a dat het resonante E-veld gelijkmatig wordt verdeeld over "0" en "1" elementen terwijl de tijd verandert voor LP-straling. Voor CP-straling vertonen "1" -elementen echter een sterkere velddichtheid in de fase van 0 °, terwijl "0" -elementen prevaleren boven "1" -elementen in de fase van 90 °. Zo worden twee orthogonale modi met een faseverschil van 0° of 90° aangeslagen om LP- of CP-straling uit te voeren.

Elektrisch veldverdelingen van de EMMS op 5,35 GHz met verschillende tijdvarianten. een LP stralingskoffer. b RHCP stralingskoffer

In het geval van verstrooiing fungeren alle elementen "0" en "1" als passieve apparaten. De aperiodieke lay-out van "0" en "1" elementen geoptimaliseerd door SAA is gericht op het bereiken van diffusieverstrooiingsprestaties. Hier, voor vgl. (1), ϕ (m , n ) vertegenwoordigt de fasecompensatie van gereflecteerde golf van de (m , n ) element. In termen van ons voorgestelde ontwerp, ϕ (m , n ) evalueert 0° en 180° in overeenstemming met respectievelijk "0" en "1" elementen. Om een ​​intuïtieve demonstratie te geven van de lage verstrooiingseigenschap van voorgestelde EMMS, wordt het gesimuleerde RCS-resultaat versus frequentie gedemonstreerd in vergelijking met een metalen bord van dezelfde grootte. Zoals duidelijk wordt getoond in Fig. 9, wordt duidelijke reflectieonderdrukking bereikt in een breedband variërend van 5 GHz tot 18 GHz. Een continue RCSR van 6 dB wordt bereikt van bijna 5 GHz tot 18 GHz (113,04% relatieve bandbreedte). Twee RCS-holle dips verschijnen rond 5,9 GHz en 10,4 GHz met een maximale RCSR tot 31,8 dB. Uit figuur 9e kan men opmaken dat het verstrooiingsveld van de EMMS zich in acht kleine hoofdbundels splitst, wat in voldoende overeenstemming is met het resultaat verkregen door de wiskundige berekening in figuur 9c. Vergeleken met de traditionele schaakbordconfiguratie (vier gereflecteerde hoofdlobben), dragen meer gereflecteerde lobben ertoe bij dat elke straal aanzienlijk wordt onderdrukt op basis van energiebesparing. Fig. 9f onthult het werkingsmechanisme van de EMMS. Er kan worden waargenomen dat verschillende elementen discrepant resoneren, wat de nodige discontinue faseverschuiving oplevert en uiteindelijk resulteert in diffusiereflectie. De verstrooiingseigenschappen van EMMS onder schuine inval werden ook onderzocht zoals getoond in Fig. 10. Evenzo, in plaats van sterke spiegelreflectie voor een metalen bord van dezelfde grootte, wordt diffusieverstrooiing achtereenvolgens waargenomen voor EMMS met verschillende invalshoeken. Ondertussen, zoals getoond in Fig. 11, worden de genormaliseerde verstrooiingspatronen op 6 GHz met invalshoeken van 0 ° tot 60 ° ook verschaft om een ​​intuïtieve demonstratie van diffusiereflectie te geven. Concluderend, de voorgestelde EMMS demonstreert de prestaties van diffusieverstrooiing in een breedband zoals verwacht.

Diffusieverstrooiingseigenschappen van de EMMS bij normale incidentie. een Radardoorsnede versus frequentie vergeleken met een metalen bord van dezelfde grootte. Verstrooiingspatronen berekend door Vgl. (1) voor metalen plaat (b ) en EMMS (c ). Verstrooiingspatronen verkregen door full-wave simulaties op 6 GHz voor metalen bord (d ) en EMMS (e ). v Oppervlaktestroomverdeling over de EMMS op 6 GHz

Diffusieverstrooiingseigenschappen van de EMMS onder schuine inval bij 6 GHz. een –d Verstrooiingspatronen van metalen bord met een invalshoek van 15° (a ), 30° (b ), 45° (c ), en 60° (d ). e –u Verstrooiingspatronen van EMMS met een invalshoek van 15° (e ), 30° (f ), 45° (g ), en 60° (u )

Genormaliseerde verstrooiingspatronen onder schuine inval bij 6 GHz. een –e Verstrooiingspatronen van metalen bord met een invalshoek van 0° (a ), 15° (b ), 30° (c ), 45° (d ), en 60° (e ). v –j Verstrooiingspatronen van EMMS met een invalshoek van 0° (f ), 15° (g ), 30° (u ), 45° (i ), en 60° (j )

Om de hierboven genoemde stralings- en verstrooiingsprestaties te valideren, werd een 4 × 4 coderend EMMS-monster gefabriceerd met behulp van standaard printplaattechnologie (PCB). De meting werd uitgevoerd in een echovrije kamer om de ruisinterferentie te minimaliseren. Voor het stralingsgeval zijn één RS2W2080-S en twee RS8W2080-S stroomverdelers in volgorde aangesloten om het signaal gelijkmatig over 16 poorten te verdelen, terwijl coaxkabels met verschillende lengtes worden gebruikt om 90 ° faseverschuiving te bieden tussen "0" en "1 ” elementen, zoals getoond in Fig. 12. De gemeten bandbreedtes voor S₁₁ ≤ − 10 dB en 3 dB ARBW getoond in Fig. 13a zijn respectievelijk 4,96~6,02 GHz en 5,22~6,02 GHz. De gebruikelijke bandbreedte is van 5,22 GHz tot 6,02 GHz (14,2% relatieve bandbreedte), wat in bevredigende overeenstemming is met de gesimuleerde resultaten. De genormaliseerde stralingspatronen op 5,35 GHz en 5,75 GHz zijn weergegeven in Fig. 13b en c. Overeenkomstig de voorspelling van simulatie, wordt symmetrische, normaalgerichte en RHCP-straling waargenomen in de breedterichting. De gemeten zijlobniveaus zijn minimaal 10 dB lager dan de hoofdlobniveaus. Bovendien zijn de velden van RHCP altijd sterker dan die van LHCP met meer dan 18,6 dB in de richting van het vizier. Er kan dus worden geconcludeerd dat de EMMS zoals verwacht goede RHCP-stralingsprestaties behaalt.

een , b Fabricage van het bovenaanzicht van het EMMS-voorbeeld (a ) en zijaanzicht (b ). c Stroomverdeler. d Basis meetopstelling voor verstrooiing

Gemeten stralings- en verstrooiingseigenschappen van de EMMS. een Gemeten S₁₁ en AR. Genormaliseerde stralingspatronen op 5,35 GHz (b ) en 5,75 GHz (c ). d Gemeten reflectiereductie van de EMMS in vergelijking met volledig metalen bord

Voor het geval van verstrooiing werd het EMMS-monster verticaal op het midden van een schuimplatform geplaatst, terwijl twee identieke LP-piramidale hoornantennes die werkten op 1 ~ 18 GHz naast respectievelijk als zender en ontvanger werden geplaatst. Tussen de twee hoorns wordt een stuk absorberend materiaal geplaatst om ongewenste koppeling te verminderen. De middelpunten van het monster en twee hoorns bevinden zich op dezelfde hoogte en de afstand tussen hen is ver genoeg om te voldoen aan de testomstandigheden in het verre veld. Gate-reflect-line-kalibratie werd ook gebruikt om ongewenste signalen in de omgeving verder te elimineren. De twee hoornantennes zijn verbonden met de twee poorten van VNA Agilent N5230C om gereflecteerd vermogen op transmissiecoëfficiënten te evalueren. Zoals uitgezet in Fig. 13d, wordt een aanzienlijke RCSR van 6 dB in vergelijking met een metalen bord van dezelfde grootte bereikt van 5 GHz tot 18 GHz (113% relatieve bandbreedte), terwijl meer dan 10 dB RCSR wordt bereikt in de band van 5,6 ~ 6,5 GHz (14,9% relatieve bandbreedte), 9,2~13,5 GHz (37,9% relatieve bandbreedte) en 15,9~18 GHz (12,4% relatieve bandbreedte). Twee RCSR-pieken verschijnen rond 6,1 GHz en 10,2 GHz met een waarde van respectievelijk 25,9 dB en 30,6 dB. De gemeten resultaten komen goed overeen met de gesimuleerde resultaten, die de breedband-lage verstrooiingsprestaties van de EMMS verifiëren.

In Tabel 1 zijn vergelijkingen gemaakt tussen het voorgestelde ontwerp en het vroegere op meta-oppervlak gebaseerde antenne-ontwerp. [42, 45] demonstreert met name de prestaties van een antenne-array, terwijl andere van de enkele antenne. Zoals duidelijk wordt aangetoond, levert het voorgestelde EMMS een ultrabreedband RCSR op met in-band en out-of-band, terwijl tegelijkertijd breedband afstembare straling wordt bereikt.