統合された広帯域調整可能放射と低散乱性能を備えた異方性メタ表面のコーディング

背景

周期的または準周期的なサブ波長粒子によって人工的に構築された電磁（EM）メタサーフェス（EMMS）は、3次元メタマテリアルの表面バージョンとして示されます[1、2]。コンパクトな構造、薄型、良好なコンフォーマル形状、低コスト、および製造の容易さにより、EMMSは広範囲に調査され、EM波を操作するように設計されています[3,4,5,6,7,8,9]。偏光、振幅、位相。

特に、異方性EMMSは、場合によっては等方性EMMSでは不可能な多くの興味深い特性を実現する準備ができています。偏光工学では、異方性粒子を使用して反射または透過偏光変換EMMSを構築することにより、線形偏光から線形偏光[10,11,12,13]、線形偏光から円偏光など、特定の偏光から任意の偏光をほぼ実現できます。 [14,15,16]、円偏波から円偏波[17、18]など。円偏波アンテナ、偏波制御デバイス、およびレーダー断面積削減（RCSR）は、偏波操作に基づいてさらに実現できます。吸収は、振幅操作の一般的な方法です。多層異方性スプリットリング共振器の相対的なギャップ方向または隣接する中心オフセットを変更することにより[19、20、21]、それらの間の近接場相互作用を調整できます。これにより、低反射と低透過を同時に実現し、完全な吸収を実現します。位相操作に関しては、EMMSのサブ波長粒子の形状を微妙に設計することにより、反射または透過面全体に与えられる位相の不連続性を実現できます。したがって、メタサーフェスレンズ[22、23]、メタサーフェスホログラム[24、25]、不可視クローキング[6]、スピン軌道相互作用[26、27]、およびその他の機能インターフェイス[28,29]などの多くの魅力的なEMデバイス、30,31]、それから実現することができます。

最近、EMMSのコーディングは、EM波の伝播を操作するための別のパラダイムとして注目を集めています[32、33、34、35]。 「コード化されたビット」は、異なる位相応答を持つ構成粒子によって表されます。例として1ビットEMMSを取り上げます。コード化された「0」要素と「1」要素は、それぞれ0°と180°の位相シフトを持つ構成構造によって模倣されます。これらのコード化された要素の特定の空間的混合により、2ビット、3ビット、およびマルチビットのEMMSを後で実現できます[36、37、38]。 EMデバイスの多機能性と調整可能性の要求により、EMMS設計のコーディングには、切り替え可能なコンポーネントとフィールドプログラマブルゲートアレイハードウェアが含まれています。したがって、再構成可能[39]およびプログラム可能[40]のEMMSが取得されます。前述の「コーディング」の概念に基づいて、1種類の異方性要素のみで構成される0ビットEMMSを使用して偏光変換を実現できます[39]。最適化アルゴリズムによってコーディングされたマルチビットEMMSを使用して拡散散乱を操作できます。パフォーマンス、したがってRCSR [39]を達成します。

明らかに、上記のEMMS設計は、主に、入ってくるEM波の散乱性能を調査することに専念しています。実際、適切に給電されれば、EMMS自体がEM波を放射するアンテナとして機能することができます[41、42、43、44、45、46]。さらに、著者の知る限り、「コーディング」の概念は主に散乱評価に焦点を当てていますが、放射性能には含まれていません。この論文では、提案されたEMMSは、広帯域放射と低散乱性能を同時に含みます。 EMMSは異方性要素で構成されており、 x の下で逆位相を持ちます。 -および y -偏光入射。これらの異方性要素は「0」と「1」としてコード化され、シミュレーテッドアニーリングアルゴリズム（SAA）によって最適化された特定の順序で配置されます。アンテナアレイ理論[47]に基づいて、適切な給電構造がコーディング「0」および「1」要素に追加され、望ましい放射性能を実現します。 「0」と「1」の要素に同じ振幅と位相を供給すると、直線偏光（LP）放射を実現できます。一方、「0」と「1」の要素に同じ振幅で90°の位相差を与えると、左側または右側の円偏波（L / RHCP）放射を実現できます。一方、EMMSの最適化されたレイアウトにより、着信EM波の広帯域拡散散乱性能が得られます。これはバイスタティックRCSRの利点です。シミュレーションと測定の両方で、私たちの方法が、統合されたブロードバンド放射と低散乱性能を備えたEMMS設計のためのシンプルで柔軟で独創的な戦略を提供することが証明されています。

メソッド

図1は、コーディングEMMSと構成異方性要素の詳細な形状を示しています。 2つのFR2誘電体層（誘電率2.65、損失接線0.002）が基板として使用され、基板1および基板2として示されます。 2つの誘電体層は、間に空間がなく、しっかりと平らに積み重ねられています。上から下への基板の厚さは、それぞれ3mmと0.5mmです。 4×4の蝶ネクタイ型の金属パッチが基板1の上面にエッチングされています。サイズは36×36mm ² です。 （0.66 λに等しい ₀ ×0.66 λ ₀ 5.5 GHzで）。基板2の底面には、スロットができるだけ薄い（長さ15.5mm、幅0.2mm）金属製のグランドプレートをエッチングし、絶対反射を確保しています。どうやら、そのような異方性要素のEM特性はその物理的配置にあります。 「コーディング」の概念に基づいて、図1bに示す異方性要素は「1」と呼ばれ、対応する要素（ z を中心に90°回転）が指定されます。 -軸）は「0」で表されます。最終的に提案されたEMMSのレイアウトは、ローカル検索の方法であるSAAによって最適化されます。図1dは、最適なコーディングマトリックスを実現するためのSAAのフローチャートを示しています。これは、反復プロセスでランダムに変更される初期ソリューションから始まります。 SAAの主なパラメータには、初期温度 T が含まれます。 、減少率α 各反復プロセスの最終温度 Tf 、反復回数 I 、およびメリット関数。このモデルでは、「0」と「1」の数が等しい初期コーディング行列を定義します。次に、「0」と「1」の任意のペアの位置を変更することによってアップグレードされます。パラメータ T 、α 、 Tf 、および I それぞれ100、0.9、0、1000に設定されています。低いRCS性能の場合、良好な拡散散乱が期待されます。したがって、私たちの目標は、最適なコーディングマトリックス（ M ）を見つけることです。 _最高 ）最大値が最小の望ましい散乱パターンにつながります。したがって、問題は、メリット関数を F として表すことができるミニマックス問題です。 （ M _最高 ）=min（AF _max ）、ここでAF _max は、特定のコーディング行列に対応するAFの最大値です。最適なコーディングマトリックスは、最小のAF _max に対応します。 、これは完全な拡散散乱性能につながります。一般に、アレイサイズが大きいほど、より良い拡散散乱が得られます。ここでは、4×4要素（ M ）で構成される配列を選択します。 = N =4）。最後に、最適なコーディングマトリックスを図1aに示します。以下の分析のすべてのシミュレーションは、特に明記されていない限り、市販のシミュレーションソフトウェアAnsoft HFSSv.14.0を使用して実行されます。

EMMSとその構成異方性要素のコーディング。 a コーディングEMMSは、4×4個の異方性要素で構成されています。 「0」と「1」の要素の数は同じです。異方性「1」要素の概略形状（ b ）および「0」要素（ c ）（ a =9 mm、 l =6 mm、 m =1 mm、 h 1 =3 mm、 h 2 =0.5 mm）。 d 最適なコーディングマトリックスを見つけるためのSAAのフローチャート

輻射の場合、集中ポート励起と輻射境界が異方性要素に適用されます。 50ΩのSMAは、インピーダンス整合のために、基板2の小さな穴を介して非常に薄い長方形のパッチ（長さ13 mm、幅1.3 mm）に接続されます。次に、金属製の地面のスロットは、エネルギーを上部の異方性EMMSに結合して、LPEM波を放射することによって有効になります。反射係数S ₁₁ 放射パターンが図2にプロットされています。明確に観察されるように、-10dBのインピーダンス整合の帯域幅は5GHzから6GHzまで達成され、18.2％の相対帯域幅を意味します。 6.97dBiから7.86dBiまで変化する安定したボアサイトゲインがインピーダンス帯域幅にわたって得られます。一方、図2b–dに明確に示されているように、xoz-（E-）面とyoz-（H-）面の両方で、ブロードサイド方向に垂直で対称的な放射プロファイルが観察されます。

集中ポート励起を伴う異方性要素の放射特性。 a 反射係数S ₁₁ とボアサイトゲイン対周波数。 b での2D放射パターン xoz-（E-）および c yoz-（H-）平面。 d 5.35、5.5、および5.75 GHzでの3D放射パターン（左から右へ）

動作メカニズムを物理的に理解するために、5.35GHzおよび5.75GHzでの異方性素子のモード表面電流を図3aおよびbにプロットします。このセクションで実行されるシミュレーションは、FEKO7.0を使用して実行されたことに注意してください。明確に示されているように、モード1とモード2の表面電流は主に中央のパッチに分布し、ブロードサイド放射が発生する可能性がありますが、不要なモード3とモード4の表面電流は主にエッジパッチに分布し、放射ヌルが発生する可能性があります。ブロードサイド。さらに、モード1とモード3の表面電流は y に沿って流れます。 -軸、モード2とモード4の軸は x に沿って流れます -軸。さらに、メタサーフェスがある場合とない場合の異方性要素の最初の4つの特性モードの計算されたモードの重要性が図4aおよびbに示されています。図4bから、メタサーフェスが要素に適用されると、モード1とモード2は、目的の動作帯域で5.32GHzと5.72GHzで共振し、どちらのモードの重要性も1に近づいていることがわかります。したがって、モード1とモード2は、広帯域および舷側の放射パターンを生成するための基本的な直交モードのペアです。

モード1、モード2、モード3、およびモード4のモーダル表面電流。 a 5.35GHzおよび b 5.75 GHz

（ a を使用した異方性要素のモーダル重要性 ）およびなし（ b ）蝶ネクタイ型のメタサーフェス

散乱の場合、反射特性を利用するために、異方性要素にフロケポート励起とマスター/スレーブ境界が実装されます。図5にプロットされているように、「1」要素の場合は9.38 GHzで1つの0°反射位相点のみが発生し、「0」要素の場合は4.75GHzと17.52GHzで2つの0°反射位相点が発生します。したがって、図5aの濃い灰色の部分に示されているように、「0」要素と「1」要素の間に有効な反射位相差が作成されます。一方、図5bに示す反射の大きさは、両方の要素で2〜18GHzに1に近い値を維持します。 「0」要素の動作帯域（5〜6 GHz）の周囲に、反射の大きさの応答のための中空ゾーンが観察されることは注目に値します。これは、共分極エネルギーの一部が供給構造によって吸収されることに起因します。それでもなお、エネルギーキャンセル[47]は、ブロードバンドで十分に得られます。その結果、ブロードバンドRCSRが期待できます。

フロケポート励起による異方性要素の反射特性。 a 「0」要素と「1」要素の間の反射位相と位相差。 b 反射の大きさ

結果と考察

ある意味で、散乱過程は、EM波の反射を再放射過程に変換することによって理解することができます。したがって、 M の場合 × N EMMSアレイ、放射と散乱の両方の場合の動作原理は、標準のアレイ理論によって解釈できます[47]：

ここで、EPは単一要素 AF のパターン関数です。 は配列係数、 k は波数Δ x およびΔ y x に沿った隣接する要素間の距離です -および y -方向、それぞれ ϕ （ m 、 n ）は（ m のフェーズです 、 n ）要素、およびθ およびφ 入射角の仰角と方位角です。簡単にするために、 E の添え字 _rtotal および E _合計 以下の分析では、それぞれ放射と散乱のケースを示しています。

放射の場合、適切に供給されると、すべての異方性要素がラジエーターとして機能します。当然、「0」要素と「1」要素は、2つの直交分極電界、つまりEP _'0' を生成します。 ⊥EP _'1' 。次に、EMMSから放射されたEM波の偏波は、給電源の振幅と位相に依存します。各要素の入力電力が等しいと仮定すると、| EP _'0' になります。 | =| EP _'1' |。 ϕ （ m 、 n ）は、フィードソースからの入力フェーズを表します。したがって、法線方向に沿って（θ 、φ ）=（0 ^∘ 、0 ^∘ ）、式。 （1）は\（{E} _ {\ mathrm {rtotal}} =8 \ left（{\ mathrm {EP}} _ {\ hbox {'} 0 \ hbox {'}} {e} ^ {j {\ phi} _ {\ hbox {'} 0 \ hbox {'}}} + {\ mathrm {EP}} _ {\ hbox {'} 1 \ hbox {'}} {e} ^ {j { \ phi} _ {\ hbox {'} 1 \ hbox {'}}} \ right）\）提案されたEMMSの場合。 ϕ の場合 _'0' − ϕ _'1' =0 ^° または±180 ^° 、総放射は対角面内のLPになります。 ϕ の場合 _'0' ϕ より90°進んでいます _'1' 、総放射フィールドはRHCPになります。それ以外の場合、 ϕ _'0' ϕ の90°後ろに落ちる _'1' 、LHCP放射線が発生します。要約すると、EMMSからの放射フィールドの偏光は、「0」および「1」要素の入力位相を制御することによって自由に調整できます。

論文を簡潔にするために、以下の分析には2つの代表的なケースのみが含まれています。どちらの場合も、すべての「0」要素と「1」要素に等しい電力が供給されます。一方では、 ϕ に関して _'0' = ϕ _'1' =0 ^° 、LP放射性能は、図6に示すように得られます。4.97GHzから6.05 GHz（相対帯域幅19.6％）で良好なインピーダンス整合が達成され、法線方向のゲインは動作帯域で12.6dBiから17.38dBiまで変化します。図6bに明確に示されているように、対称的な放射パターンがE面とH面の両方でブロードサイド方向に観察されます。一方、 ϕ _'1' − ϕ _'0' =90 ^° 、RHCP放射は予想通りに観測されます。図7に示すように、S ₁₁ の帯域幅 <− 10dBおよび3dBの軸比帯域幅（ARBW）は、それぞれ4.97〜6 GHzおよび5.22〜6GHzです。 S ₁₁ の共通帯域幅 <− 10dBおよび3dBARBWは5.22GHzから6GHz（13.9％の相対帯域幅）で、ボアサイトゲインは13.16dBiから15.8dBiまで変化します。同様に、対称、舷側、および通常の放射プロファイルは、5.35、5.5、および5.75GHzの3D放射パターンで観察されます。

「0」と「1」が等しい大きさと位相で給電されたEMMSの線形放射特性。 a 反射係数S ₁₁ とボアサイトゲイン対周波数。 b 5.35、5.5、および5.75 GHzでの3D LP放射パターン（左から右へ）

「0」と「1」が等しい大きさと90°の位相シフトで給電されたEMMSのRHCP放射特性。 a S ₁₁ およびAR対周波数。 b ボアサイトゲイン対周波数。 c 5.35、5.5、および5.75 GHzでの3D RHCP放射パターン（左から右へ）

前述の分析から、提案されたEMMSが優れたアンテナとして機能し、入力の大きさと位相を制御することにより、直線偏波モードと円偏波モードで交互に放射できることを確認できます。一方、シミュレーション結果は、提案されたEMMSの動作帯域幅が単一の異方性要素と比較して良好に維持されていることを示しており、提案された方法の有効性を検証しています。さまざまな放射モードでのEMMSの動作メカニズムを直感的に理解するために、さまざまな時変での5.35GHzでの電界分布を調査します。図8aには、LP放射の時間変化に伴い、共鳴電界が「0」要素と「1」要素に均等に分布していることが明確に示されています。ただし、CP放射の場合、「1」要素は0°の位相でより強い電界密度を示しますが、「0」要素は90°の位相で「1」要素よりも優先されます。したがって、位相差が0°または90°の2つの直交モードが励起され、LPまたはCP放射が実行されます。

時変が異なる5.35GHzでのEMMSの電界分布。 a LP放射線ケース。 b RHCP放射線ケース

散乱の場合、「0」と「1」のすべての要素がパッシブデバイスとして機能します。 SAAによって最適化された「0」および「1」要素の非周期的レイアウトは、拡散散乱性能を達成することを目的としています。ここで、式について。 （1）、 ϕ （ m 、 n ）は、（ m からの反射波の位相補償を表します 、 n ） エレメント。提案された設計に関して、 ϕ （ m 、 n ）は、それぞれ「0」と「1」の要素に対応して0°と180°を評価します。提案されたEMMSの低散乱特性を直感的に示すために、同じサイズの金属板と比較して、シミュレートされたRCSの結果と周波数を比較して示します。図9に明確に示されているように、明らかな反射抑制は5GHzから18GHzの範囲のブロードバンドで達成されます。連続的な6dB RCSRは、ほぼ5GHzから18GHz（113.04％の相対帯域幅）で達成されます。 2つのRCS中空ディップが5.9GHzと10.4GHz付近に現れ、最大RCSRは最大31.8dBに達します。図9eから、EMMSの散乱場が8つの主要な小さなビームに分割されていることがわかります。これは、図9cの数学的計算によって得られた結果と十分に一致しています。従来のチェス盤構成（4つの主要な反射ローブ）と比較して、より多くの反射ローブが、エネルギー節約に基づいて大幅に抑制された各ビームに寄与します。図9fは、EMMSの動作メカニズムを示しています。異なる要素が不一致に共振し、それが必要な不連続な位相シフトをもたらし、最終的に拡散反射をもたらすことが観察できます。図10に示すように、斜め入射下でのEMMSの散乱特性も調べました。同様に、同じサイズの金属板の強い鏡面反射の代わりに、異なる入射角のEMMSで拡散散乱が連続して観察されます。一方、図11に示すように、拡散反射を直感的に示すために、入射角が0°から60°の6GHzでの正規化された散乱パターンも提供されています。結論として、提案されたEMMSは、予想どおりブロードバンドでの拡散散乱性能を示しています。

法線入射下でのEMMSの拡散散乱特性。 a 同じサイズの金属板と比較したレーダー断面積対周波数。式によって計算された散乱パターン。 （1）金属板用（ b ）およびEMMS（ c ）。金属板（ d ）の6GHzでの全波シミュレーションによって得られた散乱パターン ）およびEMMS（ e ）。 f 6GHzでのEMMS全体の表面電流分布

6GHzでの斜め入射下でのEMMSの拡散散乱特性。 a – d 入射角15°の金属板の散乱パターン（ a ）、30°（ b ）、45°（ c ）、および60°（ d ）。 e – h 入射角15°（ e ）のEMMSの散乱パターン ）、30°（ f ）、45°（ g ）、および60°（ h ）

6GHzでの斜め入射下での正規化された散乱パターン。 a – e 入射角0°の金属板の散乱パターン（ a ）、15°（ b ）、30°（ c ）、45°（ d ）、および60°（ e ）。 f – j 入射角0°（ f ）のEMMSの散乱パターン ）、15°（ g ）、30°（ h ）、45°（ i ）、および60°（ j ）

上記の放射および散乱性能を検証するために、標準のプリント回路基板（PCB）テクノロジーを使用して4×4コーディングEMMSサンプルを作成しました。測定は、ノイズ干渉を最小限に抑えるために無響室で行われました。放射の場合、1つのRS2W2080-Sと2つのRS8W2080-S電力分配器を順番に接続して、信号を16のポートに均等に分配し、長さの異なる同軸ケーブルを使用して、「0」と「1」の間で90°の位相シフトを提供します。図12に示すように、」要素。S ₁₁ の測定帯域幅 図13aに示す≤− 10dBおよび3dB ARBWは、それぞれ4.96〜6.02 GHzおよび5.22〜6.02GHzです。一般的な帯域幅は5.22GHzから6.02GHz（14.2％の相対帯域幅）であり、シミュレーション結果と十分に一致しています。 5.35GHzおよび5.75GHzでの正規化された放射パターンを図13bおよびcに示します。シミュレーションの予測に対応して、対称、法線方向、およびRHCP放射がブロードサイド方向に観測されます。測定されたサイドローブレベルは、メインローブレベルよりも少なくとも10dB低くなっています。さらに、RHCPのフィールドは、ボアサイト方向で常に18.6dB以上LHCPのフィールドよりも強力です。したがって、EMMSは期待どおりに良好なRHCP放射性能を達成していると結論付けることができます。

a 、 b EMMSサンプル上面図の作成（ a ）および側面図（ b ）。 c 電力分配器。 d 散乱の基本的な測定設定

EMMSの測定された放射および散乱特性。 a 測定されたS ₁₁ とAR。 5.35 GHzでの正規化された放射パターン（ b ）および5.75 GHz（ c ）。 d フルメタルボードと比較したEMMSの測定された反射低減

散乱の場合、EMMSサンプルはフォームプラットフォームの中央に垂直に配置され、1〜18GHzで動作する2つの同一のLPピラミッドホーンアンテナがそれぞれ送信機と受信機として隣接して配置されました。不要な結合を減らすために、2つのホーンの間に吸収材がセットされています。サンプルの中心と2つのホーンは同じ高さにあり、それらの間の距離は、遠方界のテスト条件を満たすのに十分な距離です。環境内の望ましくない信号をさらに排除するために、ゲート反射線キャリブレーションも採用されました。 2つのホーンアンテナをVNAAgilent N5230Cの2つのポートに接続して、透過係数の反射電力を評価します。図13dにプロットされているように、同じサイズの金属ボードと比較してかなりの6 dB RCSRが5GHzから18GHz（113％の相対帯域幅）で達成され、10 dBを超えるRCSRが5.6〜の帯域で達成されます。 6.5 GHz（14.9％の相対帯域幅）、9.2〜13.5 GHz（37.9％の相対帯域幅）、および15.9〜18 GHz（12.4％の相対帯域幅）。 2つのRCSRピークが6.1GHzと10.2GHz付近に現れ、それぞれ25.9dBと30.6dBを評価します。測定結果は、EMMSの広帯域低散乱性能を検証するシミュレーション結果とよく一致しています。

提案された設計と以前のメタサーフェスベースのアンテナ設計との比較が表1で行われました。特に[42、45]はアンテナアレイの性能を示していますが、他の単一アンテナの性能を示しています。明確に示されているように、提案されたEMMSは、帯域内と帯域外を含む超広帯域RCSRを生成すると同時に、広帯域の調整可能な放射を実現します。

結論

この論文は、統合された広帯域調整可能な放射と低散乱性能を備えた新しいコーディングEMMSを提示します。構成要素として、異なる偏光入射下で本質的に逆位相の異方性要素を採用しています。適切な給電構造により、異方性素子がラジエーターとして機能します。アンテナアレイ理論に基づいて入力振幅と位相を制御することにより、LP、LHCP、またはRHCP放射を自由に実現できます。さらに、EMMSの最適化されたレイアウトは、ブロードバンド拡散散乱性能に貢献し、ブロードバンドでRCSRを実現します。したがって、提案されたEMMSでは、広帯域放射と低散乱性能を同時に達成できます。これは、放射と散乱の競合を解決するためのシンプルで柔軟かつ効果的な戦略を提供します。 EMMSは他の代替異方性要素で構成されている可能性があることは言及する価値があります。偏波再構成可能アンテナ、ターゲットステルスなどである程度のアプリケーション価値が期待できます。

略語

ARBW：

軸比帯域幅

EM：

電磁気

EMMS：

電磁メタサーフェス

L / RHCP：

左円または右円偏光

LP：

直線偏光

PCB：

プリント基板

RCSR：

レーダー断面積の削減

SAA：

シミュレーテッドアニーリングアルゴリズム