基于空间映射算法的电磁超表面优化设计

发布时间：2020-07-07 00:27

【摘要】：近年来,电磁材料领域的电磁超表面得到了人们的广泛关注,简单理解电磁超表面就是二维结构的超材料。它能够实现对入射电磁波的相位、幅度、极化以及传播模式等特性的自由调控,并且具有低剖面,结构轻便,易加工等优点。将其运用于雷达、通信、军事等领域,都有十分重要的意义,如何合理地优化设计电磁超表面,更是一个迫切需要解决的问题,本文针对电磁超表面的优化设计开展研究。要优化设计电磁超表面,得依靠非常强大并且有效的电磁散射计算方法作为支撑。之前在超表面散射特性方面分析探讨过程中,往往是用数值算法以及以该算法为基础的商用软件,需要大量的时间和资源。空间映射算法为解决复杂、高成本电磁仿真优化问题带来了全新的思想,可以大大减少所需时间和资源,提高效率。空间映射算法将待优化的对象分为粗模型和细模型,在粗模型和细模型之间构造映射关系。在算法的进行过程中,在粗模型中进行优化工作,用细模型来验证设计结果是否达到指标要求。本文的第二章,阐述了电磁超表面及空间映射优化方法的原理,介绍了电磁超表面在雷达隐身以及反射阵天线上的应用,并从概念和原理上介绍了空间映射算法,对原始空间映射算法和渐进空间映射算法的优化设计步骤做了详细说明。本文的第三章,设计了“0”、“1”编码单元,排列组合构成隐身超表面。提出了能够考虑单元间耦合的阵因子计算方法作为粗模型,以及全波仿真方法作为细模型,结合空间映射算法对隐身超表面进行了优化设计,找到最优的编码单元排布,仅通过3次细模型仿真就达到了雷达散射截面缩减达到10dB的要求。本文的第四章,对可重构超表面反射阵天线的优化设计做了研究。对可重构1-bit编码单元进行了分析与设计,使得两种模式单元在2～4GHz频率范围内,相位差基本保持在180±40°。建立起可重构超表面反射阵天线的粗模型与细模型,优化设计了一款12×12个阵元的可重构超表面反射阵天线,使天线在2.8GHz～3.2GHz频段内能够实现±45°的波束扫描,相对副瓣电平小于10dB,主瓣增益大于15dB。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

序列,结构金属,表面

２０１２年，ＲａｋｌｕｅａＣ等人对超表面进行了相关研究并设计出一种超表面圆极化天线逡逑［６］，如图１．１所示。将超表面单元按照一定的序列排布在圆形介质板上以此组成天线，逡逑通过优化手段，这个天线能够在Ｘ波段进行圆极化辐射，并且达到了在８．３－８．５ＧＨＺ频逡逑段中的轴比少于６ｄＢ的目标。逡逑ｖ逡逑图ｉ．ｉ圆极化非周期螺旋超表面逡逑２０１４年，ＭｉｎａｔｔｉＧ对电磁超表面与微带天线的结合进行了深入研宄，研发了一款逡逑能够产生交指电容器效果，基于电磁超表面理论的低剖面天线Ｗ，经过优化天线的增益逡逑能够增加至少６．３ｄＢ。逡逑同年，滨州州立大学伯克分校的科研人员又研发了一种基于超表面的低剖面天线［６］，逡逑该天线的超表面单元由四个“工”型的金属单元组成，如图１．２所示，将这个超表面板直逡逑接覆盖在微带天线上，能使其带宽达到２．２－２．５２ＧＨＺ，增益是６．２ｄＢ。逡逑丨邋ｒ：：：逡逑Ｗ邋ｌＡ逡逑Ｘ８ｉ逡逑＇邋％邋；逡逑Ｔｏｐ邋Ｌａｙｅｒ逡逑图１．２邋“工”型结构金属片上表面逡逑在设计超表面以及反射阵时，不仅仅是按照阵面单元所要补偿的相位进行布阵的，逡逑也要对阵面单元的排布进行优化。ＬＶＥｎｃｉｎａｉ？在设计超表面阵面时

示意图,阵天线,表面反射,主波束

＃（－ｙ）邋＼／逦＾（ｘ）邋＋邋ｄｄ＞＼＾／逡逑逦？邋Ｘ逡逑图２．１电磁波入射人工电磁表面示意图逡逑根据上式能够得知，当入射角为０固定不变时，办发生变化的过程中，Ａ也会逡逑有所差异。由此我们可以考虑到，当办５／办的值发生变化，反射波方向随之变化。当入逡逑射波打到电磁超表面上时，由于办值改变，导致反射波反射方向随机，即“漫反射”逡逑现象，使目标某一角度下的雷达散射截面“分散”到另外的角度。而要利用电磁超表面逡逑达到雷达隐身，并不需要将反射的电磁波转移到某一个固定方向，只需要将其尽可能的逡逑往整个平面的其他方向“漫反射”，降低ＲＣＳ实现雷达隐身的目的。逡逑２．１．３基于电磁超表面的反射阵天线原理逡逑反射阵天线是一种将馈源与大口径无源表面相结合的复合式天线，基于电磁超表面逡逑的反射阵天线结构简单、成本低、波束可精确调控

示意图,磁表面,阵天线,入射

图２．１电磁波入射人工电磁表面示意图逡逑

【参考文献】