Metasurface Kodir Integrasi Broadband untuk Radiasi dan Performa Penyebaran Rendah yang Dapat Disetel Secara Bersamaan
Abstrak
Kami menyajikan metasurface elektromagnetik (EMMS) kode baru yang menyatukan radiasi dapat disetel bandwidth lebar dengan perilaku penyebaran rendah. Sel satuan anisotropik yang menunjukkan respons fase berlawanan terhadap insiden terpolarisasi x dan y didefinisikan sebagai elemen biner “0” dan “1”. Menggunakan optimasi simulated-annealing, elemen-elemen ini diatur menjadi array 4 × 4 yang memberikan penyebaran difusi bandwidth lebar sambil memungkinkan metasurface berfungsi sebagai antena. Ketika diacu dengan amplitudo dan fase yang cocok, array memancarkan gelombang LP (terpolarisasi linear); dengan pergeseran fase 90°, polarisasi lingkaran kiri atau kanan (L/RHCP) dicapai. Simulasi gelombang penuh dan pengukuran eksperimental mengonfirmasi fungsi ganda dan menunjukkan paradigma desain sederhana serta serbaguna untuk solusi EMMS terintegrasi.
Latar Belakang
Metasurface elektromagnetik (EMMS) adalah array dua dimensi yang dirancang dari resonators sub-panjang gelombang yang mengontrol fase, amplitudo, dan polarisasi gelombang insiden [1,2]. Profil tipisnya, kemampuan menyelimuti, dan pembuatan berbiaya rendah telah mendorong penelitian ekstensif dalam pembentukan gelombang, konversi polarisasi, dan penyerapan [3–9]. Partikel anisotropik memperluas ruang desain, memungkinkan fungsi yang tidak dapat dicapai dengan elemen isotropik, seperti konversi polarisasi linear-ke-linear atau linear-ke-lingkaran yang arbitrer [10–18], penyerapan sempurna melalui kopling medan-dekat [19–21], dan diskontinuitas fase yang tinggi untuk lensa, hologram, dan klok [22–31].
Baru-baru ini, metasurface kode telah muncul sebagai paradigma yang cakap untuk manipulasi gelombang EM. Pengkodean biner atau multibit menetapkan status fase diskrit (misalnya, 0° dan 180° untuk 1-bit) pada sel satuan, yang memungkinkan pola spasial fase arbitrer [32–38]. Penggabungan elemen yang dapat dikonfigurasi atau dapat diprogram lebih memetapkan metasurface ini ke aplikasi dapat disetel dan adaptif [39–40]. Meskipun sebagian besar desain metasurface kode difokuskan pada kontrol penyebaran, kemampuan radiasi intrinsiknya telah besarmente diabaikan.
Karya kami menjembatani kesenjangan ini dengan merancang metasurface kode anisotropik yang secara bersamaan memberikan performa penyebaran rendah bandwidth lebar dan radiasi yang dapat disetel. Dengan memilih geometri sel satuan dengan hati-hati, kami mencapai respons fase komplementer untuk polarisasi ortogonal, yang memungkinkan metasurface berfungsi sebagai antena yang efisien ketika diacu dengan baik.
Metode
Gambar 1 menggambarkan geometri sel satuan dan metasurface kode 4 × 4 yang dihasilkan. Dua lapis dielektrik FR-4 (εr = 2,65, tan δ = 0,002) dengan ketebalan 3 mm dan 0,5 mm ditumpuk tanpa celah udara. Empat patch botol 4 × 4 (36 mm × 36 mm) di-etch pada lapis atas, dan tanah slot sempit (15,5 mm × 0,2 mm) di-etch pada lapis bawah untuk menegakkan refleksi hampir sempurna. Sel “1” (Gambar 1b) dan sekutu rotasi 90°-nya “0” (Gambar 1c) menunjukkan respons fase berlawanan di bawah polarisasi ortogonal. Tata letak 0/1 optimal diperoleh melalui algoritma simulated-annealing (SAA) yang meminimalkan faktor array puncak, sehingga memaksimalkan penyebaran difusi. Parameter SAA kunci adalah suhu awal = 100, faktor pendinginan = 0,9, suhu akhir = 0, dan 1000 iterasi.
EMMS kode dan elemen anisotropik konstituennya. a Array 4 × 4 dengan jumlah “0” dan “1” yang sama. b geometri elemen “1”; c geometri elemen “0”. d diagram alur SAA.
Untuk simulasi radiasi, setiap sel diaksesi melalui port lump dan SMA 50 Ω terhubung ke patch persegi panjang sempit (13 mm × 1,3 mm) melalui lubang di substrat bawah untuk memberikan pencocokan impedansi. Slot tipis di tanah mengkoppalkan energi ke lapis atas, memungkinkan radiasi broadside. Gambar 2 menunjukkan bandwidth 1-dB dari 5 GHz hingga 6 GHz (bandwidth relatif 18,2%) dan gain boresight stabil sebesar 7 dBi. Pola radiasi di bidang E- dan H- simetris dan diarahkan broadside.
Properti radiasi elemen anisotropik. a S11 dan gain boresight versus frekuensi. b–c pola 2-D di bidang E- dan H-. d pola 3-D pada 5,35, 5,5, dan 5,75 GHz.
Analisis modal (FEKO 7.0) mengungkapkan bahwa dua modus ortogonal pertama (modus 1 pada 5,32 GHz, modus 2 pada 5,72 GHz) mendominasi respons bandwidth lebar, sementara modus yang lebih tinggi ditekan. Gambar 3 memvisualisasikan arus permukaan untuk modus 1–4, menggambarkan pasangan modus ortogonal dasar yang bertanggung jawab atas radiasi yang diinginkan.
Arus permukaan modus 1–4 pada 5,35 GHz (a) dan 5,75 GHz (b).
Signifikansi modal dengan (a) dan tanpa (b) metasurface botol.
Performa penyebaran dievaluasi menggunakan port Floquet. Plot refleksi fase (Gambar 5a) menunjukkan perbedaan fase 180° antara sel “0” dan “1” selama 2–18 GHz, sementara magnitudo refleksi tetap di sekitar kesatuan (Gambar 5b). Kontras fase ini memastikan pembatalan energi bandwidth lebar, menghasilkan penampang radar (RCS) rendah. Simulasi gelombang penuh mengonfirmasi penurunan RCS 6-dB dari 5 GHz hingga 18 GHz, dengan dua celah pada 5,9 GHz dan 10,4 GHz yang mencapai penetapan RCS hingga 31,8 dB.
Karakteristik refleksi elemen anisotropik. a Fases; b Magnitudo.
Hasil dan Pembahasan
Perilaku metasurface kode dapat dipahami melalui teori array konvensional:
\[\mathbf{E}_{\text{total}}=\sum_{m=0}^{M-1}\sum_{n=0}^{N-1}\mathbf{EP}_{m,n}\,e^{j(k m\Delta x\sin\theta\cos\varphi + k n\Delta y\sin\theta\sin\varphi + \phi_{m,n})}\]
Untuk radiasi, pakan amplitudo sama menghasilkan vektor bidang ortogonal; fase pakan relatif mengontrol polarisasi output: 0° (atau 180°) menghasilkan LP, sementara offset 90° menghasilkan RHCP. Dua titik operasi representatif disajikan.
Dengan amplitudo dan fase yang cocok (ϕ₀ = ϕ₁ = 0°), array menunjukkan radiasi LP di seluruh 4,97–6,05 GHz (bandwidth 19,6%) dan gain boresight dari 12,6 hingga 17,4 dBi. Pola tetap simetris di kedua bidang (Gambar 6).
Performa radiasi linear. a S11 dan gain boresight. b Pola LP 3-D pada 5,35, 5,5, dan 5,75 GHz.
Untuk RHCP, perbedaan fase 90° antara pakan menghasilkan bandwidth rasial 3-dB dari 5,22–6,00 GHz (bandwidth 13,9%) dan gain boresight sebesar 13,2–15,8 dBi (Gambar 7).
Performa RHCP. a S11 dan rasial rasio. b Gain. c Pola RHCP 3-D.
Cuplikan medan listrik pada 5,35 GHz (Gambar 8) mengonfirmasi bahwa radiasi LP timbul dari eksitasi dalam fase dari kedua jenis sel, sedangkan radiasi CP timbul dari pergeseran fase 90° yang secara preferensial mengeksitasi satu jenis sel pada satu waktu.
Distribusi medan. a kasus LP. b kasus RHCP.
Hasil penyebaran (Gambar 9) menunjukkan penurunan RCS 6-dB yang berkelanjutan selama 5–18 GHz, dengan dua celah yang mencolok mencapai 31,8 dB. Evolusi pola (Gambar 9c–e) menunjukkan delapan lob lemah alih-alih empat lob dominan dari array papan catur konvensional, mengonfirmasi penyebaran difusi yang efektif. Simulasi insiden miring (Gambar 10) dan pengukuran penyebaran (Gambar 11) lebih memverifikasi performa penyebaran rendah bandwidth lebar di seluruh sudut hingga 60°.
Penyebaran difusi. a RCS versus frekuensi. b–c Pola yang dihitung. d–e Pola gelombang penuh. f Arus permukaan.
Pola penyebaran insiden miring pada 6 GHz.
Penyebaran yang dinormalisasi di bawah sudut insiden yang bervariasi.
Metasurface 4 × 4 yang dibuat diuji di kamera anekoik. Pengukuran S11 dan bandwidth rasial rasio (Gambar 13a) sepakat erat dengan simulasi, mencapai 5,22–6,02 GHz (bandwidth 14,2%). Pola radiasi (Gambar 13b–c) mengonfirmasi radiasi RHCP broadside yang simetris dengan sidelobes setidaknya 10 dB di bawah lob utama. Pengukuran penyebaran (Gambar 13d) menunjukkan penurunan RCS 6-dB dari 5 hingga 18 GHz, dengan puncak pada 6,1 GHz dan 10,2 GHz mencapai 26 dB dan 31 dB masing-masing.
Pemasangan dan pengaturan pengukuran. a–b Tampilan atas dan sisi. c pembagi daya. d tata letak pengukuran penyebaran.
Performa yang diukur. a S11 dan AR. b–c Pola radiasi. d Penurunan RCS.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan metasurface kode EMMS yang secara bersamaan memberikan radiasi dapat disetel bandwidth lebar dan performa penyebaran rendah bandwidth lebar. Dengan mengeksploitasi sel satuan anisotropik dengan respons fase ortogonal dan mengoptimalkan tata letak biner melalui simulated annealing, metasurface beroperasi sebagai antena yang efisien (LP atau CP) sambil mencapai penurunan RCS 6-dB dari 5 hingga 18 GHz. Fungsi ganda ini menawarkan platform yang sederhana dan dapat diskalakan untuk antena dapat dikonfigurasi polarisasi, aplikasi stealth, dan di luarnya.
