【最新成果】四叶草形超宽带漫散射编码超表面

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复旦大学徐丰教授和杨国敏教授团队提出了一种四叶草形编码超表面。所提出的编码超表面单元具有旋转对称性，因此，它可以对沿x轴极化波和沿y轴极化波产生相似的反射特性。采用离散水循环优化算法对阵列进行优化设计，以达到降低宽带RCS的目的。在15.5GHz～26.5GHz和30.5GHz～40.5GHz这两个频带范围内，四叶草形编码超表面可以有效实现降低10 dB以上的RCS缩减。该方法所设计的编码超表面在雷达散射截面的缩减中具有广泛的应用前景。

背景介绍

超表面由于其对电磁波独特的操控特性，近年来引起了人们的广泛关注。通过引入亚波长入射电磁波（EM）的相位、振幅和偏振的突变，超表面可以实现在自然材料中不存在的各种应用。电磁超表面比三维超材料更具优势，因为它们的厚度更小，制造更容易，复杂度更低。在过去的十年中，超表面已经被应用于光束操控、聚焦天线、电磁隐身、全息成像和完美吸收体。2014年，东南大学崔铁军院士提出了数字超表面的概念，将超表面单元描述为为“0”或“1”的数字位。在编码超表面中，“0”和“1”表示反射相位分别为0°和180°的两种类型的超表面单元。通过在二维平面上排列这两种单元，实现了对电磁波的灵活控制。

由于基于数字单元的随机组合可能有无数的排列，因此需要找到阵面的最佳设计。遗传算法和粒子群优化算法等被用于优化阵列因子，以获得最佳的单元排列。与其它的算法比较，水循环算法具有运行速度快、收敛精度高的特点。因此，将水循环算法与数字编码超表面相结合研制智能电磁超表面具有重要意义。

图1 用棋盘格排列设计编码超表面示意图

团队工作

复旦大学徐丰教授和杨国敏教授团队提出了一种基于水循环算法的四叶草形超宽带漫散射编码超表面。设计了两种不同尺寸的四叶草来表示相位差为180°±37°的编码超表面的两种数字状态。采用水循环算法求解单元“0”和单元“1”的最优设计。所提出的设计具有厚度小和超宽带等优点。因此，提出的四叶草形编码超表面设计是宽带RCS缩减应用的有效解决方案。

图2 课题组编码超表面相关工作

该工作已发表在《雷达学报》2021年第3期论文“四叶草形超宽带漫散射编码超表面”（YASIR Saifullah, 杨国敏, 徐丰）。

论文介绍

四叶草形编码超表面单元的示意模型如图3所示。超表面单元是以四叶草形金属图案为谐振器、中间介质材料为间隔层和底部金属层为接地的三明治结构。设计了两种不同尺寸的四叶草来表示1比特编码元表面的两种数字状态。通过改变四叶草的大小，超表面单元的相位响应发生变化，实现相位差180°±37°。

图3 所提出的超表面单元(a) 三维视图 (b) “0”单元(c) “1”单元

仿真的相位和幅度响应结果分别如图4（a）和（b）所示。仿真的相位响应表明，在15.5GHz～40.5GHz范围内获得了180°的相位差，幅度值在-0.2dB左右。

图4 (a) 仿真的反射相位 (b) 仿真的反射幅度

阵列的设计通过优化“0”和“1”单元的排布来实现更好的漫散射。采用水循环算法求解单元“0”和单元“1”的最优设计。相比较于其他算法，水循环算法提供了更高效的优化效率，其流程图如图5所示。

图5 水循环算法的流程图 

所提出的优化后1比特编码超表面和PEC的远场仿真结果如图6所示。所提出的编码超表面在频率为16.5GHz、23.5GHz和39.5GHz时的RCS分别为1.21dBsm、3.41dBsm和7.26dBsm。

图6 四叶草形编码超表面和PEC三维散射图 (a) 16.5 GHz (b) 23.5 GHz (c) 39.5 GHz

制作了四叶草形编码超表面的原型，样品如图7（a）所示。并在微波暗室中对制作的样品进行了测量，如图7（b）所示。如图7（c）所示，将所设计编码超表面的实测RCS和PEC的结果进行比较。在15.5～26.5GHz和30.5～40.5GHz的垂直入射下，RCS减小10dB，在26.5～30.5GHz的垂直入射下，RCS减小也达到6dB以上。

图7 (a)编码超表面实物图（b）测量装置（c）仿真与实测对比图

该文提出的将水循环算法与数字编码超表面相结合的方法设计智能超表面，不仅能实现雷达散射截面的缩减，而且该方法所设计的智能超表面在无线通信、自适应波束成形、成像雷达、全息成像等领域也有广泛的应用前景。

作者简介

Yasir Saifullah is currently pursuing his Ph.D. degree with the School of Information Science and Technology, Fudan University. His research interests include microwave, metamaterial, coding, dielectric and programmable metasurfaces.

杨国敏，男，博士,复旦大学信息科学与工程学院教授，博士，研究方向为天线理论与技术、微波与射频电路、智能超材料、智能传感技术等。

徐丰，男，博士,复旦大学信息科学与工程学院教授，博士，研究方向为电磁散射、合成孔径雷达、微波视觉。

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编辑：武琰杰 李郝亮

审核：贾守新

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