基于高效超构表面的多功能天线设计

Multi-functional antennas have a great application future and urgent practical demand in the areas of military equipment, satellite communication and aviation device. Novel academic ideas of amplitude and phase control, conformal tuning, achromatic modulation and asymmetric manipulation of different circular-polarization for electromagnetic waves have been proposed in this project. And we also study the techniques of integrated “structure-function” design of the meta-antennas, including the antenna system combing low side-lobe level and beam forming properties, the conformal antenna system achieving high-gain and polarization conversion properties, the antenna system operating at multi-frequencies with multi-functionalities, and also the multi-functional circularly-polarized antenna system. To achieve the goal of designing high-performance metasurface and antenna systems, firstly, the physical model of meta-atom is proposed and analyzed to realize high efficiency. Secondly, the influence rules of the cell-to-cell coupling and loss to the function integration is investigated. And the phase distributions of multi-functional metasurfaces can be optimized based on the genetic algorithm.. Finally, by considering the feed, mechanical intensity as well as electrical performance, we can build the design method of multi-functional antenna systems. This project will greatly promote the applications of metasurfaces in antennas, and is expected to provide solid theoretical background and brand-new technical approaches for high-performance metasurfaces and novel antenna systems.

多功能天线系统在军事装备、卫星通信和航天等领域有极好的应用前景和迫切应用需求。本申请提出了利用超构表面实现对电磁波的高效幅相调制、共形调制、无色差调制和圆极化波非对称调制的学术思想，并研究利用超构表面的特性研制低副瓣与波束赋形功能集成天线机理、高增益与极化变换集成共形天线系统、多频多功能集成天线系统和多功能圆极化天线系统。围绕高效多功能超构表面和天线集成系统的实现、设计与优化，首先基于等效媒质理论和传输矩阵建立超构单元的物理模型，揭示其工作机制和制备路线；其次，分析单元耦合、吸收等因素对功能集成的影响，采用遗传算法优化不同功能集成体系的最佳相位分布，建立多功能高效集成机理和一般设计方法；最后，考虑馈电结构、机械强度和电气性能，建立多功能天线系统的结构-功能一体化设计方案。本项目将极大地推动超构表面在天线领域的应用步伐，为电磁集成和新型多功能超构天线系统的研制提供坚实的理论和崭新的技术支持。

超构表面为电磁波前调控提供了全新途径和丰富手段，开展基于超构表面的多功能天线研究具有重要的理论意义和应用价值，可为雷达和通信系统中的新型天线发展提供重要技术支撑。项目围绕高效超构表面的工作机理、设计及其在功能集成天线系统中的应用展开，系统建立了高效多频多极化、幅相同调、共形、宽带无色差以及圆极化旋向解耦超构表面的优化设计理论和一般设计准则，并将高效超构表面应用于多种类型、功能集成的电磁器件和天线系统中。①通过等效媒质模型和传输矩阵方法建立了多频多极化超构表面的物理模型、高效工作机理和设计方法，设计了基于各向异性超构表面的单/双频双极化天线；②利用琼斯矩阵建立了超构表面幅度和相位的高效、独立调控机理，研究了基于幅相同调超构表面的反/透射阵天线波束赋形和副瓣控制，研制的波束赋形反射阵和透射阵天线分别在9-12GHz和9.1-10.9GHz生成了性能良好的扇形波束，圆极化低副瓣反射阵天线的副瓣电平稳定在-25dB；③提出了基于射线追踪法的共形相位补偿原理和利用弧微分结合数值积分编程解算方法的任意共形柱面电磁调控机制，结合3D打印和柔性PCB技术设计了多款共形超构表面并研制了高增益和极化转换等共形多功能集成天线；④建立了基于多重洛伦兹谐振和等效媒质模型的高效宽带无色差调控理论，实现了8-12GHz超宽带的线极化和圆极化高效无色差波束偏折器和消色差透镜；⑤基于复合相位提出了高效多功能圆极化超构表面的设计方案，设计的基于旋向解耦超构表面的宽带双圆极化反射阵天线效率达到50%以上，两款基于双频/R-T圆极化独立调控超构表面的全空间多功能器件具有很好的独立性和自由性；⑥利用高性能极化转换表面设计了低RCS和宽带折叠阵天线，并首次提出了二次折叠阵天线的设计方法，显著降低天线整体剖面。本项目基于超构表面高效设计理论和新型物理机制，建立了多功能天线系统的结构-功能一体化设计方案，为现代电磁集成和新型多功能超构天线系统的研制提供坚实的理论支撑和崭新的技术支持。