一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法与流程

1.本发明涉及平面反射阵天线领域，具体涉及一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法。


背景技术：

2.电磁超材料是近年来提出的一种人工复合材料，它可以实现许多自然界中物质所无法实现的电磁特性，电磁超材料的特性大多取决于其单元结构和在空间中的排布形式，与其材料的自身属性关系并不大。因此通过精心的设计不同的单元结构和排布可以实现各种自然界无法实现的电磁性能例如频率选择性，表面高阻抗特性，吸波特性等。这些特性可以被广泛地应用在各种领域中,例如天线领域常常需要各种超材料的引入来帮助它实现更加优异的辐射特性。超表面通常是指二维结构的电磁超材料，它可以具有和三维结构的超材料同样优异的电磁性能，由于天线设计往往对空间，尺寸有着较大的要求，因此二维结构的超表面相对而言更容易集成于天线中，同时由于其设计简单，分析方便的优势，在天线设计中受到了广大学者的青睐，现提出一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法用于有效地提供了一种新颖的重构天线极化的方式，拓宽了天线设计的更多可能性。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法，包括以下方面：
4.(1)通过研究新型超材料单元的极化转化特性，分析超材料单元对天线极化状态的影响；
5.(2)通过研究新型超材料单元对电磁波相位的调控，建立超材料单元物理参数与电磁波相位值之间的映射关系；
6.(3)通过研究石墨烯费米能级与导电率之间的关系，提出并仿真实现石墨烯超材料可调平面反射阵天线。
7.所述根据方面1从数值分析角度和电磁软件仿真方面给出可靠的模拟验证，考量新型超材料单元组成的平面反射阵天线的圆极化辐射特性，极化转化超材料反射阵天线要求单元能够对入射电磁波的极化状态进行完美调控，若入射电磁波为线极化则需单元能够将其转换为圆极化，并能够根据所需的极化状态来完成左旋或右旋圆极化辐射波的控制。同时，将超材料单元组成反射阵后，辐射波的圆极化纯度也与单元的极化转化率相关。
8.所述根据方面2通过电磁软件仿真的方式，分析单元组阵后的反射阵天线辐射oam涡旋波的纯度，由于oam涡旋波的波前相位分布呈螺旋状，故为了实现任意模态oam涡旋波的超材料天线，首先需要超材料单元能够实现对电磁波相位的精准调控。组阵后生成的oam涡旋波纯度与超材料单元对电磁波的相位控制相关。
9.所述根据方面3采用适当组阵并改变电压序列的方式，进而实现基于石墨烯的反射阵天线在微波频段的波束控制，基于石墨烯的超材料反射阵天线能够实现辐射波束的动
态可调，通过采用电控石墨烯费米能级的方式改变石墨烯的电导率，从而能够有效改变超材料天线单元中的相位变化，超材料反射阵天线辐射波束的状态与石墨烯的电导率调节状态相关。
10.本发明的有益效果如下：
11.1.本发明通过基于人工电磁材料的反射阵天线，对于人工超表面单元结构的电磁特性分析，可以计算超表面的等效介电常数和磁导率，同时人工超表面的设计来源于广义斯涅尔定律，使用该定律同样能分析超表面相位特性，对于二维超表面结构对相位的调控更适合使用广义斯涅尔定律，原因在于无论是哪种超材料结构，最终实现效果是改变电磁波传播幅度、相位、极化、轨道角动量等具体参数，广义斯涅尔定律从结论入手，直接计算何种相位分布函数能实现预期设计目标，当明确了相位函数这个结果之后，我们反过来调整超表面单元结构，去实现具体的相位数值即可，在数学上，某个超表面单元亦可以通过s参数提取法计算相位，也可以通过该方法计算的介电常数和磁导率预测电磁波遇到超表面时的传播规律，但根据设计目标使用广义斯涅尔定律计算相位，再调整几何结构产生相位显然效率更高。
附图说明
12.图1是本发明的方法流程图；
13.图2是本发明l型极化转化单元(a)单元结构(b)s参数仿真与测试结果的示意图；
14.图3是本发明oam涡旋波强度分布及波前相位的示意图；
15.图4是本发明oam涡旋波反射超表面的示意图；
16.图5是本发明oam涡旋波透射超表面的示意图；
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
18.实施例:
19.使用图1-图5对本发明一实施方式的一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法进行如下说明。
20.如图1-图5所示，本发明所述的一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法，包括以下方面：
21.(1)通过研究新型超材料单元的极化转化特性，分析超材料单元对天线极化状态的影响；
22.(2)通过研究新型超材料单元对电磁波相位的调控，建立超材料单元物理参数与电磁波相位值之间的映射关系；
23.(3)通过研究石墨烯费米能级与导电率之间的关系，提出并仿真实现石墨烯超材料可调平面反射阵天线。
24.根据方面1从数值分析角度和电磁软件仿真方面给出可靠的模拟验证，考量新型超材料单元组成的平面反射阵天线的圆极化辐射特性，极化转化超材料反射阵天线要求单元能够对入射电磁波的极化状态进行完美调控，若入射电磁波为线极化则需单元能够将其转换为圆极化，并能够根据所需的极化状态来完成左旋或右旋圆极化辐射波的控制。同时，将超材料单元组成反射阵后，辐射波的圆极化纯度也与单元的极化转化率相关。
25.根据方面2通过电磁软件仿真的方式，分析单元组阵后的反射阵天线辐射oam涡旋波的纯度，由于oam涡旋波的波前相位分布呈螺旋状，故为了实现任意模态oam涡旋波的超材料天线，首先需要超材料单元能够实现对电磁波相位的精准调控。组阵后生成的oam涡旋波纯度与超材料单元对电磁波的相位控制相关。
26.根据方面3采用适当组阵并改变电压序列的方式，进而实现基于石墨烯的反射阵天线在微波频段的波束控制，基于石墨烯的超材料反射阵天线能够实现辐射波束的动态可调，通过采用电控石墨烯费米能级的方式改变石墨烯的电导率，从而能够有效改变超材料天线单元中的相位变化，超材料反射阵天线辐射波束的状态与石墨烯的电导率调节状态相关。
27.(1)高效圆极化超材料平面反射阵天线研究
28.传统的电磁波调控元器件主要依赖于各种性质的介质材料的物理特性，导致调节元器件的体积和重量都较大，并且由于介质材料存在调节极限，在很多应用场景下，难以满足对电磁波的调控。通过研究新型超材料单元的极化转化特性，分析超材料单元对天线极化状态的影响，从数值分析角度和电磁软件仿真方面给出可靠的模拟验证，考量新型超材料单元组成的平面反射阵天线的圆极化辐射特性。
29.(2)涡旋波超材料平面反射阵天线研究
30.利用螺旋相位板等非平面方式生成涡旋波时，其结构较为笨重，生产难度大；利用传统天线生成涡旋波时，其结构和馈电网络较为复杂。通过研究新型超材料单元对电磁波相位的调控，建立超材料单元物理参数与电磁波相位值之间的映射关系，通过电磁软件仿真的方式，分析单元组阵后的反射阵天线辐射oam涡旋波的纯度。
31.(3)石墨烯超材料可调平面反射阵天线研究
32.天线系统的多功能化已成为一种趋势，可调谐的天线作为一种可以实时调控电磁波的无线辐射设备非常适合于这种工作需求。传统的相控阵天线需要一些附加的射频组件进行辐射，体积结构大，馈电网络较为复杂。通过研究石墨烯费米能级与导电率之间的关系，提出并仿真实现石墨烯超材料可调平面反射阵天线。同时，采用适当组阵并改变电压序列的方式，进而实现基于石墨烯的反射阵天线在微波频段的波束控制。
33.本发明的核心是基于人工电磁材料的反射阵天线，对于人工超表面单元结构的电磁特性分析，可以计算超表面的等效介电常数和磁导率，同时人工超表面的设计来源于广义斯涅尔定律，使用该定律同样能分析超表面相位特性，对于二维超表面结构对相位的调控更适合使用广义斯涅尔定律，原因在于无论是哪种超材料结构，最终实现效果是改变电磁波传播幅度、相位、极化、轨道角动量等具体参数，广义斯涅尔定律从结论入手，直接计算何种相位分布函数能实现预期设计目标，当明确了相位函数这个结果之后，我们反过来调整超表面单元结构，去实现具体的相位数值即可，在数学上，某个超表面单元亦可以通过s参数提取法计算相位，也可以通过该方法计算的介电常数和磁导率预测电磁波遇到超表面
时的传播规律，但根据设计目标使用广义斯涅尔定律计算相位，再调整几何结构产生相位显然效率更高。
34.随后会对广义斯涅尔定律进行深入的探讨和研究，并采用matlab软件对其进行数值模拟。针对于超表面的设计本文会采用cst对超表面单元进行仿真和优化，以寻求性能优秀的单元结构。最后会利用我们使用matlab编程生成脚本文件，以供cst仿真软件调用，该脚本文件通过基于广义斯涅耳定律的相位分布函数计算各个谐振环单元的相位数值，根据法向量计算每个单元的入射角，调取谐振环单元floquet仿真数据库的数据，得到每个单元应该使用的结构参数，最后通过cst的脚本建模快速实现基于超表面的天线模型构建。
35.显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

技术特征：
1.一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法，包括以下方面：(1)通过研究新型超材料单元的极化转化特性，分析超材料单元对天线极化状态的影响；(2)通过研究新型超材料单元对电磁波相位的调控，建立超材料单元物理参数与电磁波相位值之间的映射关系；(3)通过研究石墨烯费米能级与导电率之间的关系，提出并仿真实现石墨烯超材料可调平面反射阵天线。2.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法，其特征在于：所述根据方面1从数值分析角度和电磁软件仿真方面给出可靠的模拟验证，考量新型超材料单元组成的平面反射阵天线的圆极化辐射特性。3.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法，其特征在于：所述根据方面2通过电磁软件仿真的方式，分析单元组阵后的反射阵天线辐射oam涡旋波的纯度。4.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法，其特征在于：所述根据方面3采用适当组阵并改变电压序列的方式，进而实现基于石墨烯的反射阵天线在微波频段的波束控制。

技术总结
本发明公开了一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法，根据方面1从数值分析角度和电磁软件仿真方面给出可靠的模拟验证，考量新型超材料单元组成的平面反射阵天线的圆极化辐射特性，极化转化超材料反射阵天线要求单元能够对入射电磁波的极化状态进行完美调控，若入射电磁波为线极化则需单元能够将其转换为圆极化，并能够根据所需的极化状态来完成左旋或右旋圆极化辐射波的控制。同时，将超材料单元组成反射阵后，辐射波的圆极化纯度也与单元的极化转化率相关，本发明涉及平面反射阵天线领域，现提出一种基于人工电磁材料的新型平面反射阵天线的设计方法用于有效地提供了一种新颖的重构天线极化的方式，拓宽了天线设计的更多可能性。宽了天线设计的更多可能性。宽了天线设计的更多可能性。


技术研发人员：秦静 李建瀛
受保护的技术使用者：西安中科西光航天科技有限公司
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/12