Geïntegreerde breedband codermetasurface voor simultane instelbare straling en lage-verstrooiing prestaties

Samenvatting

We presenteren een nieuwe coderende elektromagnetische metasurface (EMMS) die breedband, instelbare straling verenigt met laag-verstrooiingsgedrag. Anisotrope eenheidcellen met tegengestelde faserespons op x- en y-gepolariseerde incidentie worden gedefinieerd als binaire elementen "0" en "1". Met een simulated-annealing optimalisatie worden deze elementen gerangschikt in een 4 × 4 array die breedband diffusieverstrooiing levert terwijl de metasurface functioneert als antenne. Aangedreven met gematchte amplitude en fase, straalt de array lineair gepolariseerde (LG) golven; met een 90° faseverschuiving wordt links- of rechtshandig circulair gepolariseerd (L/RHCP) bereikt. Volgolfsimulatie en experimentele metingen bevestigen de dubbele functionaliteit en demonstreren een eenvoudige, veelzijdige ontwerpparadigma voor geïntegreerde EMMS-oplossingen.

Achtergrond

Elektromagnetische metasurfaces (EMMSs) zijn ingenieursgewijze twee-dimensionale arrays van sub-golfengte resonators die fase, amplitude en polarisatie van incidente golven controleren. Hun dunne profiel, conformbaarheid en lage fabricagekosten hebben uitgebreid onderzoek gedreven naar golffrontvorming, polarisatieconversie en absorptie. Anisotrope deeltjes breiden de ontwerpruimte verder uit, wat functies mogelijk maakt die onbereikbaar zijn met isotrope elementen, zoals willekeurige lineair-naar-lineair of lineair-naar-circulair polarisatieconversie, perfecte absorptie door nabijveldkoppeling, en hoge-prestaties fasediscontinuïteiten voor lenzen, hologrammen en mantels.

Recent zijn coderende EMMSs uitgegroeid als een krachtig paradigma voor EM-golfmanipulatie. Binaire of multibit codering wijst discrete fasetoestanden (bijv. 0° en 180° voor 1-bit) toe aan eenheidcellen, wat willekeurige ruimtelijke fasepatronen toestaat. Het incorporeren van herconfigureerbare of programmeerbare elementen breidt deze metasurfaces uit naar instelbare en adaptieve toepassingen. Hoewel de meeste coderende EMMS-ontwerpen zich richten op verstrooiingscontrole, zijn hun intrinsieke stralingscapaciteiten grotendeels over het hoofd gezien.

Ons werk overbrugt deze kloof door een anisotrope coderende metasurface te ontwerpen die simultaan breedband laag-verstrooiingsprestaties en instelbare straling levert. Door de eenheidscel-geometrie zorgvuldig te selecteren, bereiken we complementaire faseresponsen voor orthogonale polarisaties, wat de metasurface in staat stelt om als efficiënte antenne te fungeren wanneer correct gevoed.

Methoden

Figuur 1 illustreert de eenheidscel-geometrie en de resulterende 4 × 4 coderende metasurface. Twee FR-4 dielectrische lagen (εr = 2,65, tan δ = 0,002) met diktes 3 mm en 0,5 mm worden gestapeld zonder luchtgaten. Vier 4 × 4 bowtie-patches (36 mm × 36 mm) worden geëtst op de bovenste laag, en een smalle-sleuf grondvlak (15,5 mm × 0,2 mm) wordt geëtst op de onderste laag om nabij-perfecte reflectie af te dwingen. De "1" cel (Fig. 1b) en zijn 90° gedraaide tegenhanger "0" (Fig. 1c) vertonen tegengestelde faseresponsen onder orthogonale polarisatie. De optimale 0/1-indeling wordt verkregen via een simulated-annealing algoritme (SAA) dat de piek array-factor minimaliseert, waardoor diffusieverstrooiing gemaximaliseerd wordt. Belangrijke SAA-parameters zijn initiële temperatuur = 100, verkoelingsfactor = 0,9, eindtemperatuur = 0 en 1000 iteraties.

Voor stralingsimulaties wordt elke cel geëxciteerd via een gelumpte poort en een 50 Ω SMA verbindt met een smalle rechthoekige patch (13 mm × 1,3 mm) door een gat in het onderste substraat om impedantie-matching te bieden. Een dunne sleuf in het grondvlak koppelt energie in de bovenste laag, wat breedzijdige straling mogelijk maakt. Figuur 2 toont een 1-dB bandbreedte van 5 GHz tot 6 GHz (18,2% relatieve bandbreedte) en een stabiele boresight winst van 7 dBi. Stralingspatronen in de E- en H-vlakken zijn symmetrisch en breedzijdig gericht.

Modale analyse (FEKO 7.0) onthult dat de eerste twee orthogonale modi (modus 1 bij 5,32 GHz, modus 2 bij 5,72 GHz) de breedbandrespons domineren, terwijl hogere-orde modi onderdrukt worden. Figuur 3 visualiseert oppervlaktestromen voor modi 1–4, illustrerend het fundamentele orthogonale moduspaar verantwoordelijk voor de gewenste straling.

Verstrooiingsprestaties worden geëvalueerd met Floquet-poorten. Reflectiefaseplots (Fig. 5a) tonen een 180° faseverschil tussen "0" en "1" cellen over 2–18 GHz, terwijl reflectiemagnituden nabij eenheid blijven (Fig. 5b). Deze fasecontrast zorgt voor breedband energie-uitwissing, wat leidt tot lage radar-dwarsdoorsnede (RCS). Volgolfsimulaties bevestigen een 6-dB RCS-reductie van 5 GHz tot 18 GHz, met twee diepten bij 5,9 GHz en 10,4 GHz die tot 31,8 dB RCS-onderdrukking bereiken.

Resultaten en discussie

Het gedrag van de coderende metasurface kan worden begrepen via conventionele array-theorie:

\[\mathbf{E}_{\text{total}}=\sum_{m=0}^{M-1}\sum_{n=0}^{N-1}\mathbf{EP}_{m,n}\,e^{j(k m\Delta x\sin\theta\cos\varphi + k n\Delta y\sin\theta\sin\varphi + \phi_{m,n})}\]

Voor straling produceren gelijke-amplitude voedingen orthogonale veldvectoren; de relatieve voedingsfase controleert de uitvoerpolarisatie: 0° (of 180°) levert LG, terwijl een 90° offset RHCP genereert. Twee representatieve werkpunten worden gepresenteerd.

Met gematchte amplitude en fase (ϕ₀ = ϕ₁ = 0°), vertoont de array LG-straling over 4,97–6,05 GHz (19,6% bandbreedte) en boresight winst van 12,6 tot 17,4 dBi. Patronen blijven symmetrisch in beide vlakken (Fig. 6).

Voor RHCP levert een 90° faseverschil tussen voedingen een 3-dB assiale-verhoudingsbandbreedte van 5,22–6,00 GHz (13,9% bandbreedte) en boresight winst van 13,2–15,8 dBi (Fig. 7).

Elektrisch-veld snapshots bij 5,35 GHz (Fig. 8) bevestigen dat LG-straling voortkomt uit in-fase excitatie van beide celtypes, terwijl CP-straling resulteert uit een 90° faseverschuiving die preferentieel één celtype tegelijk exciteert.

Verstrooiingsresultaten (Fig. 9) tonen een continue 6-dB RCS-reductie over 5–18 GHz, met twee uitgesproken diepten die 31,8 dB bereiken. De patroonevolutie (Fig. 9c–e) demonstreert acht zwakke lobben in plaats van de vier dominante lobben van een conventioneel schaakbord-array, wat effectieve diffusieverstrooiing bevestigt. Schuine-incidentie simulaties (Fig. 10) en gemeten verstrooiing (Fig. 11) verifiëren verder breedband laag-verstrooiingsprestaties over hoeken tot 60°.

Conclusies

We hebben een coderende EMMS gedemonstreerd die simultaan breedband, instelbare straling en breedband laag-verstrooiingsprestaties levert. Door anisotrope eenheidcellen met orthogonale faseresponsen te exploiteren en hun binaire indeling te optimaliseren via simulated annealing, functioneert de metasurface als efficiënte antenne (LG of CP) terwijl een 6-dB RCS-reductie van 5 tot 18 GHz bereikt wordt. Deze dubbele functionaliteit biedt een eenvoudig, schaalbaar platform voor polarisatie-herconfigureerbare antennes, stealth-toepassingen en verder.

Afkortingen

ARBW:

Assiële-verhoudingsbandbreedte

EM:

Elektromagnetisch

EMMS:

Elektromagnetische metasurfaces

L/RHCP:

Links- of rechtshandig circulair gepolariseerd

LP:

Lineair gepolariseerd

PCB:

Geprinte schakelkaart

RCSR:

Radar-dwarsdoorsnede reductie

SAA:

Simulated annealing algoritme