超表面波矢调控特性及其在天线波束赋形中的应用研究

Metasurface is defined by the metamaterial structure unit array according to the specific parameters distribution in the two-dimensional thin surface. Through manipulation of "artificial wave vector" supplied by metasurface, many novel physical effects can be achieved, such as anomalous reflection, anomalous refraction and surface wave coupling, which have important application value in many areas. Therefoe, the metasurfaces have attracted great attention in a large number of areas. It is because of flexible and efficient control characteristics of the wave vector, matasurface provides a new way for the realization of antenna beamshaping. The project focuses on antenna beamshaping mechanism by the metasurface provided the "artificial wave vector". Integration design principle of antenna beamshaping technology will be carried out based on the study of tmanipulation mechanism of "artificial wave vector" characteristics and he design theory and realization method of metasurfaces. Finally, design theory，the realization method and application technology solutions will be established. Since the proposed antenna beamshaping technologes have unique advantages, such as increase of scan angle domain range, a high degree of freedom and simpler design, they may provide a solid theoretical basis and a new technical way for the development of high performance antenna.

超表面是指由超材料结构单元阵列按照特定的参数分布排列而成的二维平面阵列。通过超表面的“人工波矢”调控，不仅可实现异常反折射，还可实现表面波耦合等新颖物理效应，在诸多领域具有重要的应用价值，是当前国际学术研究的热点和前沿。超表面灵活高效的波矢调控特性为天线波束赋形提供了一种新的实现途径。本申请重点研究利用超表面提供的“人工波矢”实现对天线波束的调控。开展超表面的“人工波矢”调控机理，超表面的设计原理和实现方法的研究；在此基础上，开展基于超表面加载的波束赋形天线一体化设计原理、实现方法及应用技术方案研究。基于超表面加载的天线波束赋形技术具有扫描角域范围增大、赋形自由度大、设计简单等诸多优势，本申请研究成果预计为发展高性能天线提供坚实的理论依据和崭新的技术途径。

根据空间电磁波束赋形技术在天线、雷达系统等领域的实际应用需求，本项目提出了利用超表面提供的灵活高效“人工波矢”实现对天线波束调控的学术思想。围绕这一学术思想开展研究，建立了宽带、高效非色散/色散相位梯度超表面设计原理，阐明了相位梯度超表面对波矢特性的调控机理；综合相位梯度和编码序列调控，设计并验证了编码相位梯度超表面，提供的“人工波矢”可对波束实现更加灵活的调控；提出了将不同功能集成于同一超表面口径面的方法；开展了基于相位梯度超表面的新型平板天线设计研究，阐明了基于反射型/透射型相位梯度超表面的人工表面等离激元平板天线的工作原理与设计方法；利用超表面提供的“人工波矢”，设计了基于相位梯度的人工表面等离激元的平板天线、基于超表面的平面透镜天线、多波束平板反射面天线、单拓扑电荷数的涡旋波平板反射面天线、双极化双拓扑电荷数的涡旋波束天线原理样件，并进行了实验验证；最终建立了基于超表面的波束赋形天线一体化设计原理、实现方法及应用技术方案。该技术具有赋形自由度大、设计简单等诸多优势，为发展高性能天线提供坚实的理论依据和崭新的技术途径。