用于多种逆向反射的可重构超表面
学术
2024-06-25 13:30
中国香港
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图1 多种逆向反射波束的产生和RCS减缩的实现
1. 导读
逆向反射阵列是一种强大的光束跟踪装置，可以从任何方向反射入射波回到原来的方向，在无线通信、RFID系统和无线电力传输中得到广泛的应用，特别是圆极化逆向反射阵列在卫星通信中得到了广泛的应用，交叉极化逆向反射阵列在保密通信领域具有很大的应用潜力。然而传统的逆向反射阵列受到单元极化的限制，只能实现单一极化的逆向反射，无法自适应调控反射波束的极化。针对这个问题，近日西安电子科技大学史琰教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种可重构逆向反射超表面，将环形器集成在传输线网络中，开发了一种独特的传输模式，允许信号在环行器的正向和反向之间传输，并形成独特的传输相位差，并对传输相位进行控制，通过调整环行器的工作状态，可实现上半空间的交叉极化逆向反射特性。此外，通过调节环行器正向和反向传输的相位差，还分别实现了在两个对角平面上的圆极化逆向反射或RCS 减缩效应。实验结果与理论仿真相吻合，证明了所提出方法的有效性。该研究成果不仅为实现极化可重构逆向反射阵列提供了清晰的理论和设计，并大大拓展了逆向反射阵列在各种复杂通信和雷达应用场景中的实用性和潜在应用。2. 研究背景
逆向反射阵列不同于传统的阵列，可以将未知方向的来波辐射回入射方向，且不需要来波的先验信息。相比于智能天线和相控阵天线，逆向反射阵列不需要复杂的数字信号处理算法和移相器、衰减器，仅靠自身结构就可完成波束跟踪，因此具有快速跟踪的特性，在很多方面显示了其优越的性能，并受到广泛的关注。传统上，使用角反射器，猫眼反射器等可以实现逆向反射。然而，由于它们的大尺寸和非平面结构，与其他部件的集成变得极其困难。作为平面结构，Van
Atta阵列利用独特的阵列排列和馈电网络来实现自适应逆向反射，并且具有低轮廓和集成友好的优点，然而其只能实现固定极化特性的逆向反射，不具有灵活性。另一方面，许多学者用超表面的形式实现逆向反射，具有低剖面，小尺寸等优势。但目前存在的逆向反射超表面仍不具备极化可重构的功能，如何在实现自适应逆向反射的基础上，加入反射场极化可调控功能仍是需要解决的重要问题。3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从逆向反射理论出发，提出了一种极化可重构的自适应逆向反射超表面。阵列基于双极化的超表面单元设计，因此能够接收任意极化的来波，再通过改变传输线网络正反向传输时的相位差，以控制发射波在空间中的不同组合，从而实现任意极化的逆向反射波束（见图一）。为简化实现传输线正反向相位差可调控功能，研究人员提出了一种针对于环形器的新型传输模式，通过将环形器端口3置为开路状态，此时当信号从端口2进入时，先传输至端口3，再全反射进入环形器，继而从端口1输出，此传输模式引入了与正向传输（端口1传输至端口2）不同的传输相位，并通过调整端口3微带线的电长度可实现任意传输相位差（见图2b和图2c）。![]()
图2 环形器传输示意图与正反向传输性能
随后，研究人员采用八个双极化超表面单元组成中心对称阵列，每对关于中心对称的单元的正交极化端口由集成了环形器的传输线连接，通过改变环形器的传输状态实现不同功能。将环形器正反向传输相位差调整为180o，对上半空间任意入射面内来波产生交叉极化逆向反射效果（见图3）。当传输相位差调整为90o，在两个主平面内实现交叉极化逆向反射，而在两个对角平面产生圆极化逆向反射场（见图4a）。最后，当一半环形器的正反向传输相差调整为180o，另一半环形器的正反向传输相差为 -180o，阵列实现RCS减缩功能（见图4b）。![]()
图3 交叉极化逆向反射场
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图4 圆极化逆向反射场的轴比和RCS减缩效果
4. 应用与展望
研究团队提出的极化可重构的自适应逆向反射阵列，是一种高效、功能多样的设计，通过调整传输线网络中的相位控制模块，可以在任意极化入射波照射下，分别实现不同极化的逆向反射场和RCS减缩功能，并可在未来被拓展到任意波段，这些多样化的功能显著地扩展了逆向反射超表面在卫星通信和保密通信的潜在应用。该研究成果以“Reconfigurable metasurface array for diverse retrodirective
refl-ections and radar cross section reduction”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Wen
Yue Wei, Yan Shi, Zan Kui Meng, Ru Hui and Quan Wei Wu。Yan
Shi教授为通讯作者。史琰教授团队隶属于西安电子科技大学电子工程学院。该文章受到国家自然科学基金和国家重点研发计划资助。
