一种用于线极化平面超表面电磁回溯器的宽角扫描方法

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料领域，尤其涉及一种用于线极化平面超表面电磁回溯器的宽角扫描方法。

背景技术

回溯器又称后向反射器或回波器，它是一种可以将入射电磁波反射至发射源方向的装置。由于具有明显的背向反射增强特性，回溯器自提出以来被广泛用于信标、目标探测增强等技术，在海上救援、无线通信、无人机测控等领域有重要应用价值。传统的回溯功能通常使用角反射器、龙伯透镜以及猫眼反射器等装置来实现，一般具有较大的体积与非平面化结构，因而不能适用于对小型化、集成化有较高要求的应用场景中。

近年来，超构表面作为一种由亚波长谐振结构按照一定的周期排列组成的人工复合材料，具有轻薄、高效以及易于集成的优势。在此基础上，可任意重构的超构表面进一步拓展了对电磁波调控的手段和方法，可以实现对电磁波的相位、振幅、极化和传播方向的精确调控，受到研究人员的广泛关注，形成了电磁调控器件研究领域的新“范式”。近几年，已有相关研究工作者利用可重构超构表面的方式实现了具有平面结构的角度自适应回溯器，但是大多数工作存在效率较低、适用角度范围小以及回溯功能限制于特定入射面内的问题，一定程度上限制了超构表面回溯器的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于线极化平面超表面电磁回溯器的宽角扫描方法，用以解决现有的线极化平面超表面电磁回溯仅能回溯几个固定的入射波角度，无法实现宽角度电磁回溯扫描的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于线极化平面超表面电磁回溯器的宽角扫描方法，包括以下步骤：

S1.基于广义斯涅耳反射定律获得电磁回溯器针对离散角度进行电磁回溯的第一超表面阵列编码集合；

S2.以相邻的所述离散角度为角度取值范围选取目标角度，并对所述电磁回溯器中的超表面单元阵列进行随机编码，以及，计算当前编码状态下，所述电磁回溯器针对所述目标角度的远场角谱方向图；

S3.基于所述远场角谱方向图和优化算法对所述超表面单元阵列的编码形式进行搜索和优化迭代，获取所述超表面单元阵列针对所述目标角度进行电磁回溯的最优编码；

S4.重复执行步骤S2至S3，获取一系列所述超表面单元阵列的最优编码作为所述电磁回溯器针对所述角度取值范围进行连续电磁回溯的第二超表面阵列编码集合；

S5.汇总所述第一超表面阵列编码集合和所述第二超表面阵列编码集合，以控制所述电磁回溯器进行连续的电磁回溯扫描。

根据本发明的一个方面，步骤S1中，基于广义斯涅耳反射定律获得电磁回溯器针对离散角度进行电磁回溯的第一超表面阵列编码集合的步骤中，包括：

基于广义斯涅耳反射定律获得电磁波入射角与所述电磁回溯器的相位梯度关系式，其表示为：

其中，

基于所述相位梯度关系式获取所述电磁回溯器满足回溯要求的离散角度，以及获取所述电磁回溯器中所述超表面单元阵列针对所述离散角度的编码形式；

汇总所述超表面单元阵列针对所述离散角度的编码形式以构建出所述第一超表面阵列编码集合。

根据本发明的一个方面，步骤S2中，以相邻的所述离散角度为角度取值范围选取目标角度，并对所述电磁回溯器中的超表面单元阵列进行随机编码，以及，计算当前编码状态下，所述电磁回溯器针对所述目标角度的远场角谱方向图的步骤中，所述远场角谱方向图基于所述超表面单元阵列的表面电场分布获得，其表示为：

其中，

根据本发明的一个方面，步骤S2中，所述超表面单元阵列的表面电场为斜入射电磁波入射至所述超表面单元阵列的表面所产生的反射电场，其表示为：

其中，θ

根据本发明的一个方面，所述超表面单元阵列中采用相同比特的超表面单元构成；或者，所述超表面单元阵列中采用多种比特的超表面单元构成。

根据本发明的一个方面，所述电磁回溯器中构成所述超表面单元阵列的超表面单元包括：介质基板，在所述介质基板相对两侧分别设置的电磁结构和金属底板，连接所述电磁结构和所述金属底板的金属化过孔；

所述电磁结构包括：具有相位梯度分布的超表面金属组件和二极管；

所述超表面金属组件包括：金属贴片部分和馈电条带；

所述馈电条带与所述金属贴片部分具有间隔的在所述金属贴片部分的周围布置；

所述二极管的引脚分别与所述金属贴片部分和所述馈电条带相连接；

所述金属贴片部分与所述金属底板通过所述金属化过孔相导通。

根据本发明的一种方案，本发明的宽角扫描方法可充分实现线极化平面超表面电磁回溯器的具有宽角扫描和动态可调的有益效果，同时基于线极化平面超表面电磁回溯器所具有的平面化、轻量化特点，使其能够应用范围更为广泛，尤其是在雷达通信、电子对抗等领域，为实现高效、高精度的电磁波调控提供了新的思路。

根据本发明的一种方案，本发明通过编码优化是方式使得线极化宽角扫描平面超表面电磁回溯器能够在连续角度范围具有连续的电磁回溯能力，而且本发明的方法具有良好的可扩展性，可为太赫兹和光波段的可重构超构表面电磁回溯扫描提供新的设计思路，对于电磁回溯平面化和小型化发展具有重要的科学意义和潜在价值。

根据本发明的一种方案，本发明充分克服了线极化平面超表面电磁回溯器仅能回溯几个角度上的入射波问题，能够实现宽角度电磁回溯连续扫描功能。

根据本发明的一种方案，本发明无需改变超表面阵列的单元结构，仅需通过有源控制电路切换集成在超表面阵列上的PIN二级管的开和关状态，即可实现线极化电磁波电磁回溯的宽角连续扫描功能。

根据本发明的一种方案，本发明所采用的可重构编码超表面单元仅需满足相位调制功能，适用性广。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的宽角扫描方法的步骤框图；

图2是示意性表示一种线极化平面超表面电磁回溯器的电磁回溯原理图；

图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的2-比特可重构编码的超表面单元的结构图；

图4是示意性表示图3的俯视图；

图5是示意性表示电磁波0°垂直入射情形下2-比特可重构编码的超表面单元的反射幅度和相位随频率变化的曲线图，其中，(a)表示超表面单元的反射幅度曲线图，(b)表示超表面单元的随频率变化曲线图；

图6是示意性表示电磁波20°垂直入射情形下2-比特可重构编码的超表面单元的反射幅度和相位随频率变化的曲线图，其中，(a)表示超表面单元的反射幅度曲线图，(b)表示超表面单元的随频率变化曲线图；

图7是示意性表示电磁波40°垂直入射情形下2-比特可重构编码的超表面单元的反射幅度和相位随频率变化的曲线图，其中，(a)表示超表面单元的反射幅度曲线图，(b)表示超表面单元的随频率变化曲线图；

图8是示意性表示一种线极化平面超表面电磁回溯器在多角度入射扫描下对应的远场散射方向图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种用于线极化平面超表面电磁回溯器的宽角扫描方法，包括以下步骤：

S1.基于广义斯涅耳反射定律获得电磁回溯器针对离散角度进行电磁回溯的第一超表面阵列编码集合；

S2.以相邻的离散角度为角度取值范围选取目标角度，并对电磁回溯器中的超表面单元阵列进行随机编码，以及，计算当前编码状态下，电磁回溯器针对目标角度的远场角谱方向图；

S3.基于远场角谱方向图和优化算法对超表面单元阵列的编码形式进行搜索和优化迭代，获取超表面单元阵列针对目标角度进行电磁回溯的最优编码；

S4.重复执行步骤S2至S3，获取一系列超表面单元阵列的最优编码作为电磁回溯器针对角度取值范围进行连续电磁回溯的第二超表面阵列编码集合；

S5.汇总第一超表面阵列编码集合和第二超表面阵列编码集合，以控制电磁回溯器进行连续的电磁回溯扫描。

根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，基于广义斯涅耳反射定律获得电磁回溯器针对离散角度进行电磁回溯的第一超表面阵列编码集合的步骤中，包括：

S11.基于广义斯涅耳反射定律获得电磁波入射角与电磁回溯器的相位梯度关系式；在本实施方式中，根据广义斯涅耳反射定律，可表示为：

其中，n

进一步的，基于广义斯涅耳反射定律的公式进行变形即可获得相位梯度关系式，则其表示为：

其中，

由此，基于相位梯度关系式可获知，根据广义斯涅耳反射定律所能得到满足电磁回溯器要求的入射角是离散的，且入射角度越大，离散度越高。

S12.基于相位梯度关系式获取电磁回溯器满足回溯要求的离散角度，以及获取电磁回溯器中超表面单元阵列针对离散角度的编码形式；在本实施方式中，假设使用的是n比特的超表面单元，代表编码的取值范围为0到2

S13.汇总超表面单元阵列针对离散角度的编码形式以构建出第一超表面阵列编码集合。

根据本发明的一种实施方式，通过使用广义斯涅耳定律仅能获取几个固定的入射角度满足电磁回溯要求，为得到宽角连续电磁回溯，需要进一步对离散角度之间间隔的入射角度进行补偿。为此，通过步骤S2至S4以实现对离散角度之间间隔的入射角度进行补偿中达到连续回溯的要求。

为此，步骤S2中，以相邻的离散角度为角度取值范围选取目标角度，并对电磁回溯器中的超表面单元阵列进行随机编码，以及，计算当前编码状态下，电磁回溯器针对目标角度的远场角谱方向图的步骤中，远场角谱方向图基于超表面单元阵列的表面电场分布获得，其表示为：

其中，

进一步的，超表面单元阵列的表面电场为斜入射电磁波入射至超表面单元阵列的表面所产生的反射电场，进而，超表面单元阵列的表面所产生的反射电场可表示为：

E(x,y)＝E

其中，E

进一步的，入射电磁波电场可表示为：

其中，θ

由于远场角谱方向图的计算中采用的是三维形式的公式，为此，θ

进一步的，反射系数可表示为：

其中，

进一步的，超表面单元阵列的表面所产生的反射电场可表示为：

根据本发明的一种实施方式，步骤S3中，基于远场角谱方向图和优化算法对超表面单元阵列的编码形式进行搜索和优化迭代，获取超表面单元阵列针对目标角度进行电磁回溯的最优编码的步骤中，基于所获得的远场角谱方向图，即可得到回溯到入射波方向上的反射波强度，再利用优化算法对超表面单元阵列的编码形式进行针对性的搜索和迭代优化，可快速寻到接近最大反射波强度的编码形式，即超表面单元阵列针对目标角度进行电磁回溯的最优编码。在本实施方式中，优化算法可采用遗传算法。

根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，重复执行步骤S2至S3，获取一系列超表面单元阵列的最优编码作为电磁回溯器针对角度取值范围进行连续电磁回溯的第二超表面阵列编码集合的步骤中，针对前述的角度取值范围，以预设的角度间隔更换目标角度，并重新执行步骤S2和S3，即可获得新的目标角度所对应的最优编码；以及，针对当前角度取值范围分别计算完成后，则获取下一个相邻离散角度之间的角度取值范围进行最优编码的计算，最终将获取的所有最优编码进行汇总即可获取第二超表面阵列编码集合。

根据本发明的一种实施方式，步骤S5中，汇总第一超表面阵列编码集合和第二超表面阵列编码集合，以控制电磁回溯器进行连续的电磁回溯扫描的步骤中，第一超表面阵列编码集合中包含了针对离散的入射角度进行电磁回溯的编码形式，第二超表面阵列编码集合中包含了离散的入射角度之间连续入射角度进行电磁回溯的编码形式，进而可以按照入射角度逐渐增大或逐渐减小的方式对第一超表面阵列编码集合和第二超表面阵列编码集合中的编码形式进行顺序排列，完成对第一超表面阵列编码集合和第二超表面阵列编码集合的合并汇总，进而将其保存至电磁回溯器的控制器(控制器可采用单片机、PLC、CPLD、FPGA等实现)中，由此，在控制器的控制作用下实现电磁回溯器在连续角度范围内的电磁回溯扫描。

根据本发明的一种实施方式，超表面单元阵列中采用相同比特的超表面单元构成，例如，1-比特的超表面单元、2-比特的超表面单元等。

在另一种实施方式中，超表面单元阵列中采用多种比特的超表面单元构成。其中，由于高比特的超表面单元式包含的低比特的单元，通常来说采用最高比特的编码形式，低比特的编码要转换成高比特的编码，例如，1比特的编码0、1，分别代表相位为0°和180°；2比特的编码0、1、2、3，分别代表相位0°、90°、180°和270°。1比特是被包含在2比特中的。

如图3所示，根据本发明的一种实施方式，电磁回溯器中构成超表面单元阵列的超表面单元包括：介质基板1，在介质基板1相对两侧分别设置的电磁结构2和金属底板3。在本实施方式中，电磁结构2包括：具有相位梯度分布的超表面金属组件21和二极管22；其中，超表面金属组件21具有用于连接二极管22的安装缝隙，二极管22的引脚分别与安装缝隙的两侧相连接。在本实施方式中，超表面金属组件21与金属底板23相导通。在本实施方式中，安装缝隙可相对的设置有两个，二极管22也可对应的设置为两个，且二极管22是相对的设置。

在本实施方式中，在控制器的控制作用下实现电磁回溯器在连续角度范围内的电磁回溯扫描的过程中，通过控制超表面单元上二极管22的开和关，实现满足电磁回溯功能的超表面编码状态。

为进一步说明本方案，结合附图作进一步举例阐述。

实施例

在本实施方式中，以2比特可重构编码的超表面单元所构成的线极化平面超表面电磁回溯器对本方案作进一步说明。

结合图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，线极化平面超表面电磁回溯器采用M×N个超表面单元呈矩形阵列构成，其中，超表面单元包括：介质基板1，在介质基板1相对两侧分别设置的电磁结构2和金属底板3。在本实施方式中，电磁结构2包括：具有相位梯度分布的超表面金属组件21和二极管22；其中，超表面金属组件21包括：金属贴片部分21a和馈电条带21b。在本实施方式中，金属贴片部分21a呈不规则的片状结构，且其为轴对称结构。在本实施方式中，金属贴片部分21a设置有开口凹槽21a1，且开口凹槽21a1设置在金属贴片部分21a对称轴上，且相对的设置有两个。

结合图3和图4所示，在本实施方式中，馈电条带21b为用于提供偏置电压的滞留馈电金属条带，其中，馈电条带21b与金属贴片部分21a具有间隔的设置以形成安装缝隙。在本实施方式中，馈电条带21b在金属贴片部分21a的相对两侧分别设置，以实现安装缝隙在金属贴片部分21a相对两侧的布置。在本实施方式中，馈电条带21b与金属贴片部分21a相邻的一侧设置有金属凸出部21b1，且金属凸出部21b1与开口凹槽21a1相对应的设置，以使得金属凸出部21b1伸入到开口凹槽21a1内，且金属凸出部21b1与开口凹槽21a1之间具有间隔的设置。

结合图3和图4所示，在本实施方式中，二极管22的两个引脚分别与金属凸出部21b1和开口凹槽21a1相连接。在本实施方式中，二极管22采用PIN二极管。

结合图3和图4所示，在本实施方式中，金属底板3与介质基板1的底面相一致的设置，以实现对介质基板1底面的全覆盖。在本实施方式中，金属底板3采用铜板制成。

结合图3和图4所示，在本实施方式中，金属贴片部分21a与金属底板3采用金属化过孔4相连接，并一起连接到控制器的地线，其中，金属化过孔4的材料与金属底板3的采用为一致的，例如，金属化过孔4和金属底板3采用的材料为铜。

在本实施方式中，两条馈电条带21b分别连接到控制器的不同电压输出端，通过不同的输出电压可以分别控制两个二极管22的开关状态，从而进一步控制金属贴片部分21a与两个馈电条带21b之间的电流。具体的，两个二极管22的四种开关组合使得表面单元拥有四种不同的电流分布，从而可产生四种不同的反射相位。

在本实施方式中，馈电条带21b的长度与介质基板的边长相一致的设置，以实现超表面单元阵列中超表面单元之间的对接连通。

结合图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，为进一步方便描述本方案，对超表面单元的关键尺寸进行相应的设置；其中，金属贴片部分21a的宽度为14.4mm，左边长为12.5mm，右边长为11mm。在本实施方式中，金属贴片部分21a长度方向的两端向相互远离的方向凸出设置，其中，采用折线方式形成该凸起。在本实施方式中，金属贴片部分21a的左边(即长边)至凸起位置的尖端的距离为6.2mm。在本实施方式中，开口凹槽21a1的宽度为1.5mm，开口凹槽21a1底部至馈电条带21b的距离为1.5mm。在本实施方式中，金属凸出部21b1的宽度和凸出长度分别为0.7mm。

在本实施方式中，超表面单元呈正方形结构，其周期长度为16mm。进而，介质基板1的边长同样为16mm。在本实施方式中，介质基板1的材质采用F4B，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，厚度为1mm。

在本实施方式中，馈电条带21b距离介质基板1的边缘是具有间隔的，且间隔长度为0.2mm。在本实施方式中，由于馈电条带21b的长度与介质基板1的边长为一致的，为此，馈电条带21b的长度同样为16mm。

在本实施方式中，线极化平面超表面电磁回溯器采用多列超表面单元拼接而成，以构成超表面单元阵列。在每列超表面单元中，相邻的超表面单元采用馈电条带21b首尾连接，形成逐列可控的可编程超表面阵列。

结合图5、图6和图7所示，其分别为电磁波在0°、20°和40°入射角情形下2-比特超表面单元的反射幅度和相位随频率变化的曲线图。四种不同编码的相邻两种编码在6GHz处均保持接近90度的相位差，反射幅度均在0.85以上，满足了角度不敏感的需求。

基于上述所构建的2比特超表面单元，采用广义斯涅耳反射定律即可获得其电磁回溯的入射波角度分布，并对其进行汇总，如表1所示。

表1

如表1所示，在中心频率6GHz，超表面单元周期长度16mm的情况下，基于广义斯涅耳反射定律所得的电磁回溯的入射波角度是离散分布的，且入射角度越大，离散度越高。

进一步的，由于仅使用广义斯涅耳反射定律所得的电磁回溯的入射波角度为固定的，进而，为获得宽角连续电磁回溯，需要对中间间隔的入射角度进行补偿。在本实施方式中，通过重复执行步骤S2至S3，针对所选择的目标角度，并对超表面单元阵列进行随机编码，并结合优化算法对随机编码状态下的超表面单元阵列进行针对性的搜索和迭代优化，以快速、有效地获取满足电磁回溯要求的编码形式。进而，通过对所有离散角度间的角度范围进行计算即可获得针对连续角度的编码形式。在本实施方式中，通过采用预设间隔的方式在相邻离散角度之间的角度取值范围进行目标角度的取值，其中，预设间隔可设置为1°、0.5°、0.1°等，其预设间隔越小，则对角度取值范围的划分越精细，进而能够更加准确的满足在连续角度的电磁回溯效果。

如图8所示，基于前述步骤获得了2比特超表面单元所构成的电磁回溯器在不同入射角度下对应的远场散射方向图，可在-51°～0°实现电磁回溯扫描。此外，仅需要将阵列编码的顺序颠倒，即可实现0°～51°电磁回溯的阵列编码，从而实现0°～51°的电磁回溯扫描。

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。