Integrierte breitbandige Codier-Metasurface für simultan abstimmbare Strahlung und Low-Scattering-Leistung

Zusammenfassung

Wir präsentieren eine neuartige codierte elektromagnetische Metasurface (EMMS), die breitbandige, abstimmbare Strahlung mit Low-Scattering-Verhalten vereint. Anisotrope Einheitszellen, die entgegengesetzte Phasenantworten auf x- und y-polarisiertes Einfall zeigen, werden als binäre Elemente „0“ und „1“ definiert. Mittels Simulated-Annealing-Optimierung werden diese Elemente in ein 4×4-Array angeordnet, das breitbandige Diffusionsstreuung liefert und gleichzeitig die Metasurface als Antenne funktionieren lässt. Bei Anregung mit angepasster Amplitude und Phase strahlt das Array linear polarisierte (LP) Wellen; mit einem 90°-Phasenversatz wird links- oder rechtshändige Zirkularpolarisation (L/RHCP) erreicht. Vollwellen-Simulationen und experimentelle Messungen bestätigen die Dualfunktionalität und demonstrieren ein einfaches, vielseitiges Designparadigma für integrierte EMMS-Lösungen.

Hintergrund

Elektromagnetische Metasurfaces (EMMSs) sind künstlich gestaltete zweidimensionale Arrays subwellenlängiger Resonatoren, die Phase, Amplitude und Polarisation einfallender Wellen steuern [1,2]. Ihr dünnes Profil, Konformität und kostengünstige Fertigung haben umfangreiche Forschung zu Wellenfrontformung, Polarisationskonversion und Absorption angetrieben [3–9]. Anisotrope Partikel erweitern den Designraum weiter und ermöglichen Funktionen, die mit isotropen Elementen nicht erreichbar sind, wie beliebige linear-zu-linear oder linear-zu-zirkulare Polarisationskonversion [10–18], perfekte Absorption durch Nahfeldkopplung [19–21] und hochleistungsfähige Phasendiskontinuitäten für Linsen, Hologramme und Tarnkappen [22–31].

Kürzlich sind codierte EMMSs als mächtiges Paradigma für EM-Wellenmanipulation entstanden. Binäre oder Multibit-Codierung weist diskrete Phasenzustände (z. B. 0° und 180° für 1-Bit) Einheitszellen zu, was beliebige räumliche Phasenmuster erlaubt [32–38]. Die Integration rekonfigurierbarer oder programmierbarer Elemente erweitert diese Metasurfaces weiter zu abstimmbaren und adaptiven Anwendungen [39–40]. Obwohl sich die meisten codierten EMMS-Designs auf Streukontrolle konzentrieren, wurden ihre inhärenten Strahlungsfähigkeiten weitgehend übersehen.

Unsere Arbeit schließt diese Lücke, indem wir eine anisotrope codierte Metasurface entwerfen, die simultan breitbandige Low-Scattering-Leistung und abstimmbare Strahlung liefert. Durch sorgfältige Auswahl der Einheitszellen-Geometrie erreichen wir komplementäre Phasenantworten für orthogonale Polarisationen, was die Metasurface bei entsprechender Einspeisung als effiziente Antenne befähigt.

Methoden

Abbildung 1 illustriert die Einheitszellen-Geometrie und die resultierende 4×4-codierte Metasurface. Zwei FR-4-Dielektrikumsschichten (εr = 2,65, tan δ = 0,002) mit Dicken 3 mm und 0,5 mm werden ohne Luftspalt gestapelt. Vier 4×4-Bowtie-Patches (36 mm × 36 mm) werden auf der oberen Schicht geätzt, und eine schmale Schlitz-Grundebene (15,5 mm × 0,2 mm) auf der unteren Schicht, um nahezu perfekte Reflexion zu erzwingen. Die „1“-Zelle (Abb. 1b) und ihr um 90° gedrehtes Gegenstück „0“ (Abb. 1c) zeigen entgegengesetzte Phasenantworten unter orthogonaler Polarisation. Das optimale 0/1-Layout wird via Simulated-Annealing-Algorithmus (SAA) ermittelt, der den Peak-Array-Faktor minimiert, wodurch Diffusionsstreuung maximiert wird. Wichtige SAA-Parameter: Anfangstemperatur = 100, Abkühlfaktor = 0,9, Endtemperatur = 0, und 1000 Iterationen.

Codierte EMMS und ihre anisotropen Elemente. a 4×4-Array mit gleicher Anzahl von „0“ und „1“. b „1“-Elementgeometrie; c „0“-Elementgeometrie. d SAA-Flussdiagramm.

Für Strahlungssimulationen wird jede Zelle über einen Lumped-Port angeregt, und ein 50-Ω-SMA verbindet sich über ein Loch im unteren Substrat mit einem schmalen rechteckigen Patch (13 mm × 1,3 mm) für Impedanzanpassung. Ein dünner Schlitz in der Grundebene koppelt Energie in die obere Schicht, was Breitseitenstrahlung ermöglicht. Abbildung 2 zeigt eine 1-dB-Bandbreite von 5 GHz bis 6 GHz (18,2 % relative Bandbreite) und einen stabilen Breitseitengewinn von 7 dBi. Strahlungsdiagramme in E- und H-Ebene sind symmetrisch und breitseitengerichtet.

Strahlungseigenschaften des anisotropen Elements. a S11 und Breitseitengewinn vs. Frequenz. b–c 2D-Diagramme in E- und H-Ebene. d 3D-Diagramme bei 5,35, 5,5 und 5,75 GHz.

Modalanalyse (FEKO 7.0) zeigt, dass die ersten beiden orthogonalen Moden (Mode 1 bei 5,32 GHz, Mode 2 bei 5,72 GHz) die Breitbandantwort dominieren, während höherwertige Moden unterdrückt werden. Abbildung 3 visualisiert Oberflächenströme für Moden 1–4, illustrierend das fundamentale orthogonale Modenpaar, das für die gewünschte Strahlung verantwortlich ist.

Oberflächenströme der Moden 1–4 bei 5,35 GHz (a) und 5,75 GHz (b).

Modale Signifikanz mit (a) und ohne (b) Bowtie-Metasurface.

Streuverhalten wird mittels Floquet-Ports bewertet. Reflexionsphasenplots (Abb. 5a) zeigen einen 180°-Phasenunterschied zwischen „0“- und „1“-Zellen über 2–18 GHz, während Reflexionsbeträge nahe 1 bleiben (Abb. 5b). Dieser Phasenkontrast gewährleistet breitbandige Energieauslöschung, was niedrigen Radarquerschnitt (RCS) ergibt. Vollwellensimulationen bestätigen eine 6-dB-RCS-Reduktion von 5 GHz bis 18 GHz, mit zwei Dips bei 5,9 GHz und 10,4 GHz, die bis zu 31,8 dB RCS-Unterdrückung erreichen.

Reflexionscharakteristiken des anisotropen Elements. a Phasen; b Beträge.

Ergebnisse und Diskussion

Das Verhalten der codierten Metasurface lässt sich über konventionelle Arraytheorie verstehen:

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

Für Strahlung erzeugen gleichmäßige Amplituden-Einspeisungen orthogonale Feldvektoren; die relative Einspeisephase steuert die Ausgangspolarisation: 0° (oder 180°) ergibt LP, während ein 90°-Versatz RHCP generiert. Zwei repräsentative Betriebspunkte werden vorgestellt.

Bei angepasster Amplitude und Phase (ϕ₀ = ϕ₁ = 0°) zeigt das Array LP-Strahlung über 4,97–6,05 GHz (19,6 % Bandbreite) und Breitseitengewinn von 12,6 bis 17,4 dBi. Diagramme bleiben in beiden Ebenen symmetrisch (Abb. 6).

Lineare Strahlungsleistung. a S11 und Breitseitengewinn. b 3D-LP-Diagramme bei 5,35, 5,5 und 5,75 GHz.

Für RHCP ergibt ein 90°-Phasenunterschied zwischen den Einspeisungen eine 3-dB-Achsenverhältnis-Bandbreite von 5,22–6,00 GHz (13,9 % Bandbreite) und Breitseitengewinn von 13,2–15,8 dBi (Abb. 7).

RHCP-Leistung. a S11 und Achsenverhältnis. b Gewinn. c 3D-RHCP-Diagramme.

Elektrische-Feld-Schnappschüsse bei 5,35 GHz (Abb. 8) bestätigen, dass LP-Strahlung aus in-Phase-Anregung beider Zelltypen resultiert, während CP-Strahlung aus einem 90°-Phasenversatz resultiert, der einen Zelltyp jeweils bevorzugt anregt.

Feldverteilungen. a LP-Fall. b RHCP-Fall.

Streuergebnisse (Abb. 9) zeigen eine kontinuierliche 6-dB-RCS-Reduktion über 5–18 GHz, mit zwei ausgeprägten Dips, die 31,8 dB erreichen. Die Musterentwicklung (Abb. 9c–e) demonstriert acht schwache Loben statt der vier dominanten Loben eines konventionellen Schachbrett-Arrays, was effektive Diffusionsstreuung bestätigt. Schräg-Einfall-Simulationen (Abb. 10) und gemessene Streuung (Abb. 11) verifizieren weiterhin breitbandige Low-Scattering-Leistung über Winkel bis 60°.

Diffusionsstreuung. a RCS vs Frequenz. b–c Berechnete Muster. d–e Vollwellenmuster. f Oberflächenströme.

Schräg-Einfall-Streuungsmuster bei 6 GHz.

Normierte Streuung unter variierenden Einfallswinkeln.

Die gefertigte 4×4-Metasurface wurde in einer schalltoten Kammer getestet. Gemessene S11 und Achsenverhältnis-Bandbreiten (Abb. 13a) stimmen eng mit Simulationen überein, erreichen 5,22–6,02 GHz (14,2 % Bandbreite). Strahlungsdiagramme (Abb. 13b–c) bestätigen symmetrische, breitseitige RHCP-Strahlung mit Nebeloben mindestens 10 dB unter dem Hauptlob. Streumessungen (Abb. 13d) demonstrieren eine 6-dB-RCS-Reduktion von 5 bis 18 GHz, mit Peaks bei 6,1 GHz und 10,2 GHz, die 26 dB bzw. 31 dB erreichen.

Fertigung und Messaufbau. a–b Drauf- und Seitenansicht. c Leistungsteiler. d Streumesslayout.

Gemessene Leistung. a S11 und AR. b–c Strahlungsdiagramme. d RCS-Reduktion.

Schlussfolgerungen

Wir haben eine codierte EMMS demonstriert, die simultan breitbandige, abstimmbare Strahlung und breitbandige Low-Scattering-Leistung liefert. Durch Ausnutzen anisotroper Einheitszellen mit orthogonalen Phasenantworten und Optimieren ihres binären Layouts via Simulated Annealing operiert die Metasurface als effiziente Antenne (LP oder CP) und erreicht gleichzeitig eine 6-dB-RCS-Reduktion von 5 bis 18 GHz. Diese Dualfunktionalität bietet eine einfache, skalierbare Plattform für polarisationsrekonfigurierbare Antennen, Tarnanwendungen und darüber hinaus.

Abkürzungen

ARBW:

Achsenverhältnis-Bandbreite

EM:

Elektromagnetisch

EMMS:

Elektromagnetische Metasurfaces

L/RHCP:

Links- oder rechtshändige Zirkularpolarisation

LP:

Linear polarisiert

PCB:

Leiterplatte

RCSR:

Radarquerschnittsreduktion

SAA:

Simulated Annealing Algorithmus