各向異性電磁超表面：多波束輻射與極化調(diào)控的深度剖析與創(chuàng)新應(yīng)用一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的時(shí)代，電磁領(lǐng)域的研究始終處于前沿地位，對(duì)眾多關(guān)鍵技術(shù)的革新起到了決定性作用。其中，各向異性電磁超表面作為一種新興的人工電磁材料，因其獨(dú)特的電磁特性和強(qiáng)大的調(diào)控能力，在通信、雷達(dá)、成像等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，已然成為當(dāng)前電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。各向異性電磁超表面是由亞波長(zhǎng)尺度的人工結(jié)構(gòu)單元周期性或非周期性排列組成的二維平面結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的自然材料截然不同，它能夠突破自然材料的物理限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的靈活調(diào)控。通過精心設(shè)計(jì)超表面單元的幾何形狀、尺寸、排列方式以及材料特性，可使超表面對(duì)不同方向、不同極化狀態(tài)的電磁波呈現(xiàn)出各異的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波振幅、相位、極化等特性的精準(zhǔn)操控。在通信領(lǐng)域，隨著無(wú)線通信技術(shù)從4G向5G乃至未來(lái)6G的不斷演進(jìn)，人們對(duì)通信系統(tǒng)的容量、速率和覆蓋范圍提出了愈發(fā)嚴(yán)苛的要求。各向異性電磁超表面憑借其卓越的多波束輻射特性，能夠同時(shí)向多個(gè)方向發(fā)射或接收信號(hào)，顯著提高通信系統(tǒng)的信道容量和頻譜效率。例如，在5G通信的大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)中，利用各向異性電磁超表面實(shí)現(xiàn)多波束賦形，可有效增強(qiáng)信號(hào)覆蓋范圍，提升信號(hào)強(qiáng)度，減少信號(hào)干擾，為用戶提供更穩(wěn)定、高速的通信服務(wù)。此外，在衛(wèi)星通信中，多波束天線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同區(qū)域的同時(shí)覆蓋，極大地提高了通信效率和靈活性，而各向異性電磁超表面的應(yīng)用則為多波束天線的小型化、輕量化和高性能化提供了可能。在雷達(dá)領(lǐng)域，多波束輻射技術(shù)是提升雷達(dá)性能的關(guān)鍵手段之一。傳統(tǒng)雷達(dá)在搜索和跟蹤目標(biāo)時(shí)，往往需要機(jī)械掃描天線來(lái)實(shí)現(xiàn)波束的指向變化，這種方式不僅掃描速度慢，而且靈活性和精度受限。而基于各向異性電磁超表面的多波束雷達(dá)，能夠通過電子學(xué)方法快速、靈活地控制波束的方向和形狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)探測(cè)和跟蹤，大大提高了雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)能力和跟蹤精度。例如，在軍事防御中，多波束雷達(dá)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)方向的空中目標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并跟蹤敵機(jī)和導(dǎo)彈等威脅，為國(guó)防安全提供有力保障；在民用領(lǐng)域，多波束雷達(dá)可應(yīng)用于交通監(jiān)測(cè)、氣象探測(cè)等方面，提高交通管理效率和氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。極化調(diào)控作為電磁波調(diào)控的重要方面，在電磁波探測(cè)、通信和成像等領(lǐng)域同樣發(fā)揮著不可或缺的作用。極化是電磁波的基本特性之一，不同極化狀態(tài)的電磁波攜帶了不同的信息。通過對(duì)電磁波極化的有效調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的加密、解密、增強(qiáng)抗干擾能力以及提高成像分辨率等功能。例如，在雷達(dá)探測(cè)中，利用極化調(diào)控技術(shù)可以區(qū)分不同形狀、材質(zhì)的目標(biāo)，提高目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性；在通信系統(tǒng)中，極化復(fù)用技術(shù)能夠在相同的頻率資源上傳輸不同極化的信號(hào)，從而提高通信系統(tǒng)的容量。綜上所述，各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控研究對(duì)于推動(dòng)現(xiàn)代通信、雷達(dá)等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展具有舉足輕重的意義。它不僅能夠?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)的升級(jí)換代提供新的思路和方法，解決傳統(tǒng)技術(shù)面臨的諸多瓶頸問題，還能夠開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，為未來(lái)科技的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本研究旨在深入探索各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控機(jī)理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高性能的各向異性電磁超表面結(jié)構(gòu)，為其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)保障。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控研究在國(guó)內(nèi)外均受到了廣泛關(guān)注，眾多科研團(tuán)隊(duì)在理論、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)等方面展開了深入探索，取得了一系列令人矚目的成果。在國(guó)外，早期的研究主要集中于超表面的基本原理和電磁特性分析。例如，[具體年份1]，[國(guó)外某研究團(tuán)隊(duì)1]通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，深入研究了各向異性超表面對(duì)電磁波的散射特性，揭示了其在調(diào)控電磁波相位和極化方面的潛力，為后續(xù)的多波束和極化調(diào)控研究奠定了理論基礎(chǔ)。隨著研究的不斷深入，[國(guó)外某研究團(tuán)隊(duì)2]在[具體年份2]提出了一種基于各向異性超表面的多波束天線設(shè)計(jì)方法，通過精心設(shè)計(jì)超表面單元的幾何形狀和排列方式，實(shí)現(xiàn)了在特定方向上的多波束輻射，在通信和雷達(dá)等領(lǐng)域展示出了潛在的應(yīng)用價(jià)值。在極化調(diào)控方面，[國(guó)外某研究團(tuán)隊(duì)3]在[具體年份3]設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)寬帶極化轉(zhuǎn)換的各向異性超表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用超表面單元的特殊幾何形狀和材料特性，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波極化狀態(tài)的高效轉(zhuǎn)換，拓寬了極化調(diào)控超表面的工作帶寬，提高了極化轉(zhuǎn)換效率，為極化調(diào)控技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣提供了重要參考。國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速，取得了許多具有國(guó)際影響力的成果。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控方面取得了顯著進(jìn)展。例如，南京大學(xué)馮一軍教授團(tuán)隊(duì)提出采用時(shí)空編碼超表面動(dòng)態(tài)構(gòu)建任意極化多波束，所設(shè)計(jì)的各向異性可重構(gòu)超表面支持一對(duì)正交線極化電磁響應(yīng)的獨(dú)立調(diào)控，通過為每個(gè)基本組成單元獨(dú)立加載時(shí)空編碼控制信號(hào)，可使超表面在兩個(gè)極化通道內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)任意等效反射系數(shù)，以動(dòng)態(tài)模擬所需的各向異性媒質(zhì)參數(shù)。在單頻線極化電磁波入射激勵(lì)下，該超表面器件不僅支持極化態(tài)和散射方向圖的聯(lián)合調(diào)控，按需生成一系列偏折角和數(shù)目均動(dòng)態(tài)可控的多極化多波束，而且可重新分配頻譜能量，將工作頻率拓展至諧波狀態(tài)。這一成果為電磁波極化動(dòng)態(tài)調(diào)控提供了新方法，有望應(yīng)用于諸如立體成像和無(wú)線通信等領(lǐng)域。上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的科研人員結(jié)合各向異性原理，設(shè)計(jì)由中心“C”形金屬開口環(huán)和對(duì)角“L”形金屬條構(gòu)成的極化轉(zhuǎn)換超表面單元，可實(shí)現(xiàn)22.5-48.5GHz的超寬帶線極化轉(zhuǎn)換；波束控制超表面在上述結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合相位調(diào)制原理，通過改變開口環(huán)的開口角和旋轉(zhuǎn)角，可實(shí)現(xiàn)單元間特定的相位梯度，進(jìn)而可由廣義斯涅爾定律實(shí)現(xiàn)30GHz頻率下的波束控制。仿真結(jié)果與理論預(yù)期基本一致，所設(shè)計(jì)的超表面在極化轉(zhuǎn)換和波束控制方面的功能得以充分驗(yàn)證，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有工作的不足，在未來(lái)通信系統(tǒng)和天線領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。盡管國(guó)內(nèi)外在各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控研究方面已取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。一方面，目前大多數(shù)超表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析主要依賴于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，缺乏系統(tǒng)的理論模型來(lái)準(zhǔn)確描述其復(fù)雜的電磁特性和調(diào)控機(jī)理，這限制了對(duì)超表面性能的深入理解和優(yōu)化設(shè)計(jì)。另一方面，現(xiàn)有的多波束輻射和極化調(diào)控超表面在工作帶寬、效率、靈活性以及與實(shí)際系統(tǒng)的兼容性等方面還存在一定的局限性。例如，部分多波束超表面的波束數(shù)目和方向調(diào)節(jié)范圍有限，難以滿足復(fù)雜多變的應(yīng)用需求；一些極化調(diào)控超表面的工作帶寬較窄，在寬帶通信等應(yīng)用場(chǎng)景中受到限制；此外，超表面與天線、射頻電路等實(shí)際系統(tǒng)的集成技術(shù)還不夠成熟，影響了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用推廣。綜上所述，各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控研究雖已取得豐碩成果，但仍有許多關(guān)鍵問題亟待解決。進(jìn)一步深入研究各向異性電磁超表面的物理機(jī)理，發(fā)展高效的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化算法，突破現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)超表面性能的全面提升和與實(shí)際系統(tǒng)的深度融合，將是未來(lái)該領(lǐng)域的重要研究方向。1.3研究目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)本研究聚焦于各向異性電磁超表面，旨在深入剖析其多波束輻射與極化調(diào)控的內(nèi)在物理機(jī)制，構(gòu)建全面系統(tǒng)的理論模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高性能的各向異性電磁超表面結(jié)構(gòu)，以滿足現(xiàn)代通信、雷達(dá)等領(lǐng)域?qū)﹄姶挪`活調(diào)控的迫切需求，為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐與創(chuàng)新的技術(shù)方案。具體研究目標(biāo)如下：揭示各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控機(jī)理：通過理論分析和數(shù)值模擬，深入研究各向異性電磁超表面的電磁特性，闡明超表面單元結(jié)構(gòu)與多波束輻射、極化調(diào)控性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，明確不同參數(shù)對(duì)調(diào)控效果的影響規(guī)律，為超表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。建立各向異性電磁超表面的設(shè)計(jì)理論與方法：基于對(duì)調(diào)控機(jī)理的深入理解，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法和優(yōu)化算法，建立一套高效、準(zhǔn)確的各向異性電磁超表面設(shè)計(jì)理論與方法。該方法能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，快速、精確地設(shè)計(jì)出具有特定多波束輻射和極化調(diào)控功能的超表面結(jié)構(gòu)，提高設(shè)計(jì)效率和性能。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)寬帶、高效、靈活的各向異性電磁超表面結(jié)構(gòu)：針對(duì)現(xiàn)有超表面在工作帶寬、效率、靈活性等方面的不足，創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，采用新型材料和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)寬帶、高效、靈活的各向異性電磁超表面結(jié)構(gòu)。具體而言，通過優(yōu)化超表面單元的幾何形狀、尺寸和排列方式，拓展工作帶寬，提高多波束輻射效率和極化轉(zhuǎn)換效率；引入可重構(gòu)元件或智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超表面性能的動(dòng)態(tài)調(diào)控，增強(qiáng)其在復(fù)雜多變應(yīng)用場(chǎng)景中的適應(yīng)性。驗(yàn)證各向異性電磁超表面在實(shí)際應(yīng)用中的性能：搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)并制備的各向異性電磁超表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證其在多波束輻射和極化調(diào)控方面的性能。將超表面應(yīng)用于實(shí)際的通信、雷達(dá)等系統(tǒng)中，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，評(píng)估其對(duì)系統(tǒng)性能的提升效果，為其實(shí)際工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。本研究在各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控研究方面具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：提出基于多物理場(chǎng)耦合的各向異性電磁超表面設(shè)計(jì)新思路：突破傳統(tǒng)僅從電磁學(xué)角度設(shè)計(jì)超表面的局限，引入多物理場(chǎng)耦合的概念，綜合考慮電磁、熱、力等物理場(chǎng)對(duì)超表面性能的影響。例如，研究熱場(chǎng)對(duì)超表面材料電磁參數(shù)的影響，以及力場(chǎng)作用下超表面結(jié)構(gòu)形變對(duì)電磁波調(diào)控性能的改變，通過多物理場(chǎng)的協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)超表面性能的優(yōu)化和拓展，為超表面在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用提供新的解決方案。發(fā)展基于深度學(xué)習(xí)的各向異性電磁超表面優(yōu)化設(shè)計(jì)算法：針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中優(yōu)化過程復(fù)雜、計(jì)算量大的問題，將深度學(xué)習(xí)技術(shù)引入各向異性電磁超表面的設(shè)計(jì)中。利用深度學(xué)習(xí)強(qiáng)大的非線性擬合能力和數(shù)據(jù)處理能力，建立超表面結(jié)構(gòu)參數(shù)與電磁性能之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)超表面結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過大量的仿真數(shù)據(jù)訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型，使其能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)到滿足特定性能要求的超表面結(jié)構(gòu)特征，大大提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，為超表面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了高效的工具。實(shí)現(xiàn)多波束輻射與極化調(diào)控的協(xié)同優(yōu)化：不同于以往研究中多波束輻射和極化調(diào)控分別進(jìn)行的方式，本研究致力于實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同優(yōu)化。通過巧妙設(shè)計(jì)超表面的單元結(jié)構(gòu)和布局，使超表面在產(chǎn)生多波束輻射的同時(shí)，能夠?qū)γ總€(gè)波束的極化狀態(tài)進(jìn)行獨(dú)立、靈活的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)多波束與極化態(tài)的多樣化組合。這種協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法能夠充分發(fā)揮各向異性電磁超表面的優(yōu)勢(shì)，為通信、雷達(dá)等領(lǐng)域提供更強(qiáng)大的電磁波調(diào)控能力，滿足未來(lái)復(fù)雜通信和探測(cè)場(chǎng)景對(duì)信號(hào)多樣化的需求。探索各向異性電磁超表面在新興領(lǐng)域的應(yīng)用潛力：除了傳統(tǒng)的通信和雷達(dá)領(lǐng)域，積極探索各向異性電磁超表面在新興領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，如太赫茲成像、量子通信、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等。針對(duì)這些新興領(lǐng)域的特殊需求，設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的超表面結(jié)構(gòu)，利用其獨(dú)特的電磁調(diào)控特性，解決相關(guān)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)問題，為各向異性電磁超表面開辟新的應(yīng)用方向，推動(dòng)其在多學(xué)科交叉領(lǐng)域的發(fā)展。二、各向異性電磁超表面的基礎(chǔ)理論2.1電磁超表面概述2.1.1電磁超表面的概念與特性電磁超表面是一種由亞波長(zhǎng)尺度的人工結(jié)構(gòu)單元周期性或非周期性排列構(gòu)成的二維平面結(jié)構(gòu)，作為超材料家族的重要成員，它能夠突破自然材料的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的靈活調(diào)控。這些人工結(jié)構(gòu)單元通常由金屬、介質(zhì)或復(fù)合材料制成，通過精心設(shè)計(jì)其幾何形狀、尺寸、排列方式以及材料特性，可使超表面對(duì)電磁波呈現(xiàn)出獨(dú)特的電磁響應(yīng)。與傳統(tǒng)材料相比，電磁超表面具有諸多獨(dú)特的特性。首先，電磁超表面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波相位、幅度和極化的精確調(diào)控。傳統(tǒng)材料對(duì)電磁波的調(diào)控能力較為有限，而電磁超表面通過亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元與電磁波的相互作用，可產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射和共振效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位的精細(xì)控制。例如，通過設(shè)計(jì)超表面單元的幾何形狀和尺寸，使其對(duì)不同頻率的電磁波產(chǎn)生不同的相位延遲，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波波前的整形，將平面波轉(zhuǎn)換為聚焦波或渦旋波等特殊波型。在極化調(diào)控方面，電磁超表面可以實(shí)現(xiàn)線極化、圓極化和橢圓極化之間的相互轉(zhuǎn)換，以及極化方向的旋轉(zhuǎn)，這在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。其次，電磁超表面具有低剖面、輕薄化的特點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)單元的尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，超表面的整體厚度可以控制在亞波長(zhǎng)量級(jí)，相較于傳統(tǒng)的三維電磁器件，具有更低的剖面和更輕的重量。這一特性使得電磁超表面在現(xiàn)代電子設(shè)備中具有更好的兼容性和集成性，能夠滿足小型化、輕量化的設(shè)計(jì)需求。例如，在手機(jī)、衛(wèi)星等通信設(shè)備中，使用電磁超表面可減小天線的尺寸和重量，提高設(shè)備的性能和便攜性。再者，電磁超表面具有設(shè)計(jì)靈活、可定制化的優(yōu)勢(shì)。通過改變超表面單元的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的電磁功能，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。例如，針對(duì)不同的通信頻段和信號(hào)傳輸要求，可以設(shè)計(jì)出具有特定頻率響應(yīng)和輻射特性的電磁超表面；在隱身技術(shù)中，可以設(shè)計(jì)出能夠吸收或散射特定頻段電磁波的電磁超表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的隱身效果。這種高度的設(shè)計(jì)靈活性和可定制化能力，使得電磁超表面在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。2.1.2各向異性電磁超表面的原理與分類各向異性電磁超表面是電磁超表面的一種特殊類型，其對(duì)電磁波的響應(yīng)特性隨方向而異。這種各向異性特性源于超表面單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和排列方式，使得超表面在不同方向上對(duì)電磁波的散射、吸收和透射等行為表現(xiàn)出明顯差異。各向異性電磁超表面的工作原理主要基于其對(duì)電磁波電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的不同響應(yīng)。當(dāng)電磁波入射到各向異性電磁超表面時(shí)，超表面單元會(huì)根據(jù)其自身的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量產(chǎn)生不同程度的作用，從而導(dǎo)致電磁波的極化狀態(tài)、相位和幅度等特性發(fā)生改變。例如，一些各向異性超表面單元具有特定的幾何形狀，如“C”形、“L”形或十字形等，這些形狀會(huì)使超表面對(duì)不同方向的電場(chǎng)分量產(chǎn)生不同的諧振響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波極化和相位的調(diào)控。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，各向異性電磁超表面可分為多種類型。按照結(jié)構(gòu)形式，可分為周期性各向異性電磁超表面和非周期性各向異性電磁超表面。周期性各向異性電磁超表面由規(guī)則排列的超表面單元組成，其電磁特性具有周期性變化規(guī)律，這種結(jié)構(gòu)易于分析和設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中較為常見。例如，基于周期性排列的金屬開口環(huán)結(jié)構(gòu)的各向異性電磁超表面，通過控制開口環(huán)的尺寸、間距和取向等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的有效調(diào)控。非周期性各向異性電磁超表面則由不規(guī)則排列的超表面單元構(gòu)成，其電磁特性更加復(fù)雜，但能夠?qū)崿F(xiàn)一些周期性結(jié)構(gòu)難以達(dá)到的特殊功能，如寬帶寬、多頻段調(diào)控等。例如，采用隨機(jī)分布的超表面單元設(shè)計(jì)的非周期性各向異性電磁超表面，可在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的高效吸收。按照材料組成，各向異性電磁超表面可分為金屬型、介質(zhì)型和復(fù)合型。金屬型各向異性電磁超表面主要利用金屬的良好導(dǎo)電性和電磁響應(yīng)特性，通過設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控，其優(yōu)點(diǎn)是電磁響應(yīng)強(qiáng)烈、調(diào)控效果明顯，但存在一定的歐姆損耗。例如，基于金屬“C”形結(jié)構(gòu)的各向異性電磁超表面，在太赫茲頻段能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波極化的有效控制。介質(zhì)型各向異性電磁超表面則依靠介質(zhì)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率特性來(lái)調(diào)控電磁波，具有低損耗、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，但電磁響應(yīng)相對(duì)較弱。例如，利用液晶等各向異性介質(zhì)材料制備的電磁超表面，可通過外部電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用來(lái)改變介質(zhì)的電磁參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的動(dòng)態(tài)調(diào)控。復(fù)合型各向異性電磁超表面結(jié)合了金屬和介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，通過合理設(shè)計(jì)金屬和介質(zhì)的組合結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜、更高效的電磁波調(diào)控功能。例如，金屬-介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的各向異性電磁超表面，在實(shí)現(xiàn)寬帶極化轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還能提高超表面的效率和穩(wěn)定性。按照功能特性，各向異性電磁超表面可分為極化調(diào)控型、波束調(diào)控型和多功能型。極化調(diào)控型各向異性電磁超表面主要用于實(shí)現(xiàn)電磁波極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和控制，如線極化與圓極化之間的轉(zhuǎn)換、極化方向的旋轉(zhuǎn)等，在通信、雷達(dá)極化探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。波束調(diào)控型各向異性電磁超表面則側(cè)重于對(duì)電磁波傳播方向和波束形狀的控制，可實(shí)現(xiàn)多波束輻射、波束掃描和聚焦等功能，廣泛應(yīng)用于通信天線、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域。多功能型各向異性電磁超表面則集成了多種功能，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控和波束調(diào)控等功能，滿足復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的需求。例如，一種設(shè)計(jì)的多功能各向異性電磁超表面，既能實(shí)現(xiàn)多波束輻射，又能對(duì)每個(gè)波束的極化狀態(tài)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，為未來(lái)通信和雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的技術(shù)方案。2.2多波束輻射的基本原理2.2.1多波束形成的理論基礎(chǔ)多波束形成是實(shí)現(xiàn)高效通信與精確探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，其核心原理建立在電磁波的干涉和相位補(bǔ)償理論之上，這些理論為多波束輻射提供了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，使其在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。從物理學(xué)的基本原理出發(fā)，干涉是指兩列或多列相干波在空間相遇時(shí)相互疊加，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。在多波束輻射中，通過精心設(shè)計(jì)天線陣列或電磁超表面的結(jié)構(gòu)，使得不同單元發(fā)射的電磁波在特定方向上相互干涉，從而實(shí)現(xiàn)多波束的形成。當(dāng)多個(gè)天線單元按照一定的規(guī)律排列，并以適當(dāng)?shù)南辔缓头劝l(fā)射電磁波時(shí)，在空間中的某些方向上，這些電磁波會(huì)相互加強(qiáng)，形成較強(qiáng)的輻射波束；而在其他方向上，電磁波則相互抵消，輻射強(qiáng)度較弱。這種干涉效應(yīng)使得能量能夠集中在特定的方向上，提高了信號(hào)的傳輸效率和方向性。相位補(bǔ)償理論在多波束形成中也起著至關(guān)重要的作用。電磁波的相位決定了其在空間中的傳播特性和相互作用方式。在多波束輻射系統(tǒng)中，由于各個(gè)天線單元或超表面單元與目標(biāo)方向的距離不同，電磁波傳播到目標(biāo)點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的相位延遲。為了使這些電磁波在目標(biāo)方向上能夠同相疊加，增強(qiáng)輻射強(qiáng)度，需要對(duì)各個(gè)單元的相位進(jìn)行精確補(bǔ)償。通過引入合適的相位延遲或相位調(diào)制元件，如移相器、超表面的相位調(diào)控結(jié)構(gòu)等，可以調(diào)整每個(gè)單元發(fā)射的電磁波的相位，使其在目標(biāo)方向上達(dá)到相位一致，從而實(shí)現(xiàn)多波束的高效輻射。以均勻線性天線陣列為典型示例，假設(shè)陣列由N個(gè)相同的天線單元組成，相鄰單元間距為d，當(dāng)電磁波以入射角\theta入射到陣列上時(shí)，根據(jù)電磁波的傳播特性，相鄰單元之間會(huì)產(chǎn)生相位差\Delta\varphi=\frac{2\pid}{\lambda}\sin\theta，其中\(zhòng)lambda為電磁波的波長(zhǎng)。為了在某個(gè)特定方向\theta_0上形成波束，需要對(duì)每個(gè)單元的相位進(jìn)行調(diào)整，使得在該方向上的相位差滿足同相疊加的條件，即\sum_{n=0}^{N-1}\Delta\varphi_n=2k\pi（k為整數(shù)）。通過精確計(jì)算和控制每個(gè)單元的相位補(bǔ)償量，可以在不同的方向\theta_0上形成多個(gè)波束，實(shí)現(xiàn)多波束輻射的功能。在各向異性電磁超表面中，多波束形成的原理更為復(fù)雜。超表面的各向異性特性使得其對(duì)不同方向和極化的電磁波具有不同的響應(yīng)。通過設(shè)計(jì)超表面單元的幾何形狀、尺寸和排列方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位和幅度的靈活調(diào)控。例如，利用各向異性超表面單元的特殊結(jié)構(gòu)，如“C”形、“L”形等，對(duì)不同極化方向的電場(chǎng)分量產(chǎn)生不同的諧振響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波極化和相位的獨(dú)立調(diào)控。在多波束輻射中，可以根據(jù)不同波束的方向和極化要求，設(shè)計(jì)超表面的相位分布，使得超表面在不同方向上對(duì)電磁波進(jìn)行相位補(bǔ)償和干涉調(diào)控，實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同方向和極化特性的波束輻射。多波束形成的理論基礎(chǔ)是基于電磁波的干涉和相位補(bǔ)償原理，通過合理設(shè)計(jì)天線陣列或電磁超表面的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波在空間中的能量分布和傳播方向的精確控制，為現(xiàn)代通信、雷達(dá)等領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。2.2.2影響多波束輻射性能的因素多波束輻射性能受到多種因素的綜合影響，深入理解這些因素對(duì)于優(yōu)化多波束輻射系統(tǒng)、提高其性能具有重要意義。以下將從單元結(jié)構(gòu)、陣列布局和饋電方式等方面詳細(xì)分析它們對(duì)多波束輻射性能的影響。單元結(jié)構(gòu)：超表面單元結(jié)構(gòu)是影響多波束輻射性能的關(guān)鍵因素之一。不同的單元結(jié)構(gòu)具有不同的電磁特性，從而對(duì)電磁波的散射、吸收和透射等行為產(chǎn)生不同的影響。單元的幾何形狀對(duì)多波束輻射性能起著決定性作用。例如，“C”形單元結(jié)構(gòu)由于其特殊的幾何形狀，能夠在特定頻率下產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁諧振，對(duì)電磁波的相位和極化狀態(tài)具有顯著的調(diào)控能力。通過調(diào)整“C”形單元的開口大小、臂長(zhǎng)和旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，可以改變其電磁諧振特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多波束輻射方向和極化特性的精確控制。在太赫茲頻段，基于“C”形單元結(jié)構(gòu)的各向異性電磁超表面能夠?qū)崿F(xiàn)高效的多波束輻射，且每個(gè)波束的極化狀態(tài)可獨(dú)立調(diào)控。單元的尺寸也是影響多波束輻射性能的重要參數(shù)。單元尺寸與工作波長(zhǎng)的比例關(guān)系決定了單元對(duì)電磁波的響應(yīng)特性。當(dāng)單元尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)時(shí)，單元表現(xiàn)出良好的亞波長(zhǎng)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波的精細(xì)調(diào)控。然而，如果單元尺寸過大，會(huì)導(dǎo)致單元之間的相互作用增強(qiáng)，產(chǎn)生不必要的散射和干擾，影響多波束輻射的性能。例如，在設(shè)計(jì)用于微波通信的多波束電磁超表面時(shí)，需要精確控制單元尺寸，使其在滿足電磁調(diào)控要求的同時(shí)，避免過大尺寸帶來(lái)的負(fù)面影響。陣列布局：陣列布局是決定多波束輻射性能的另一個(gè)重要因素。陣列中單元的排列方式和間距會(huì)直接影響電磁波的干涉效果和波束的指向性。常見的陣列布局包括均勻線性陣列、平面陣列和圓形陣列等。在均勻線性陣列中，單元沿一條直線均勻排列，這種布局結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于分析和設(shè)計(jì)。通過調(diào)整單元之間的間距和相位分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)波束方向和形狀的控制。當(dāng)單元間距為半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，在某些特定方向上可以形成尖銳的波束，提高信號(hào)的方向性。然而，均勻線性陣列在掃描角度較大時(shí)，容易出現(xiàn)柵瓣現(xiàn)象，降低波束的性能。平面陣列則在二維平面上排列單元，能夠?qū)崿F(xiàn)更靈活的波束掃描和多波束輻射。平面陣列可以通過改變不同行和列單元的相位和幅度，實(shí)現(xiàn)對(duì)波束在水平和垂直方向上的獨(dú)立控制。例如，在相控陣?yán)走_(dá)中，采用平面陣列結(jié)構(gòu)，通過電子學(xué)方法快速調(diào)整各個(gè)單元的相位，實(shí)現(xiàn)波束的快速掃描和多目標(biāo)跟蹤。平面陣列的性能還受到單元間距的影響，過小的間距會(huì)導(dǎo)致單元之間的互耦增強(qiáng)，影響波束的性能；而過大的間距則可能導(dǎo)致波束的旁瓣升高，降低信號(hào)的質(zhì)量。圓形陣列具有全向性的特點(diǎn)，能夠在水平方向上實(shí)現(xiàn)360度的波束掃描。圓形陣列在一些需要全方位監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如航空雷達(dá)、衛(wèi)星通信等。通過合理設(shè)計(jì)圓形陣列中單元的分布和相位控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)方向目標(biāo)的同時(shí)探測(cè)和跟蹤。圓形陣列的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，需要考慮單元之間的相位匹配和幅度分布，以確保在不同方向上都能獲得良好的波束性能。饋電方式：饋電方式對(duì)多波束輻射性能也有著重要的影響。不同的饋電方式會(huì)影響到各個(gè)單元的激勵(lì)幅度和相位，從而影響多波束的形成和性能。同相饋電是一種常見的饋電方式，在這種方式下，所有單元接收相同相位的激勵(lì)信號(hào)。同相饋電適用于形成單一方向的強(qiáng)波束，能夠在該方向上集中能量，提高信號(hào)的強(qiáng)度。在一些簡(jiǎn)單的通信天線中，常采用同相饋電方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定方向的信號(hào)傳輸。然而，同相饋電方式在實(shí)現(xiàn)多波束輻射時(shí)存在一定的局限性，難以靈活地控制多個(gè)波束的方向和幅度。而幅度加權(quán)饋電則通過調(diào)整各個(gè)單元的激勵(lì)幅度，實(shí)現(xiàn)對(duì)波束形狀和旁瓣電平的控制。通過對(duì)不同單元施加不同的幅度權(quán)重，可以使波束在主瓣方向上更加集中，同時(shí)降低旁瓣的輻射強(qiáng)度。在雷達(dá)系統(tǒng)中，為了提高目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和抗干擾能力，常采用幅度加權(quán)饋電方式，優(yōu)化波束的性能。常見的幅度加權(quán)函數(shù)有泰勒加權(quán)、切比雪夫加權(quán)等，不同的加權(quán)函數(shù)適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和性能要求。相位加權(quán)饋電則側(cè)重于對(duì)各個(gè)單元的相位進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)波束方向的精確控制。通過改變單元之間的相位差，可以使波束在空間中指向不同的方向。在相控陣天線中，相位加權(quán)饋電是實(shí)現(xiàn)波束掃描的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過快速調(diào)整各個(gè)單元的相位，可以使波束在不同方向上快速切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的快速跟蹤和監(jiān)測(cè)。相位加權(quán)饋電需要精確的相位控制技術(shù)和復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，以確保相位調(diào)整的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。多波束輻射性能受到單元結(jié)構(gòu)、陣列布局和饋電方式等多種因素的綜合影響。在設(shè)計(jì)多波束輻射系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮這些因素，通過優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計(jì)陣列布局和選擇合適的饋電方式，實(shí)現(xiàn)高性能的多波束輻射，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。2.3極化調(diào)控的基本原理2.3.1極化的基本概念與表示方法極化作為電磁波的一項(xiàng)基本屬性，深刻反映了電場(chǎng)矢量在空間中的取向和變化規(guī)律，在通信、雷達(dá)、遙感等眾多電磁應(yīng)用領(lǐng)域扮演著關(guān)鍵角色。從物理學(xué)的基本定義出發(fā)，極化指的是在空間給定點(diǎn)上，電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}在一個(gè)周期內(nèi)的端點(diǎn)軌跡所呈現(xiàn)的形態(tài)。根據(jù)這一軌跡的不同特征，極化可細(xì)致劃分為線極化、圓極化和橢圓極化三種主要類型。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}的端點(diǎn)在空間中隨時(shí)間變化的軌跡為一條直線時(shí)，電磁波呈現(xiàn)出線極化狀態(tài)。在這種情況下，電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}可以分解為兩個(gè)相互垂直的分量，分別表示為E_x=E_{x0}\cos(\omegat+\varphi_x)和E_y=E_{y0}\cos(\omegat+\varphi_y)，其中E_{x0}和E_{y0}分別為x和y方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度幅值，\omega為角頻率，t為時(shí)間，\varphi_x和\varphi_y分別為x和y方向上的初始相位。若\varphi_x-\varphi_y=0或\pmn\pi（n=0,1,2,\cdots），則電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}的端點(diǎn)軌跡為一條與x軸夾角為\arctan(\frac{E_{y0}}{E_{x0}})的直線，此時(shí)電磁波為線極化波。在實(shí)際應(yīng)用中，線極化波常用于一些對(duì)極化方向要求較為明確的通信場(chǎng)景，如地面通信中的水平極化或垂直極化方式，可有效減少信號(hào)干擾，提高通信質(zhì)量。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}的端點(diǎn)在空間中隨時(shí)間變化的軌跡為一個(gè)圓時(shí)，電磁波處于圓極化狀態(tài)。此時(shí)，x和y方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度幅值相等，即E_{x0}=E_{y0}=E_0，且初始相位差\varphi_x-\varphi_y=\pm\frac{\pi}{2}。當(dāng)\varphi_x-\varphi_y=-\frac{\pi}{2}時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}的端點(diǎn)在空間中沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，形成左旋圓極化波；而當(dāng)\varphi_x-\varphi_y=\frac{\pi}{2}時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}的端點(diǎn)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生右旋圓極化波。圓極化波在衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如在衛(wèi)星通信中，圓極化波能夠有效克服由于衛(wèi)星姿態(tài)變化和電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致的極化失配問題，保證信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。若電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}的端點(diǎn)在空間中隨時(shí)間變化的軌跡為一個(gè)橢圓，則電磁波呈現(xiàn)出橢圓極化狀態(tài)。這是一種更為普遍的極化形式，線極化和圓極化均可視為橢圓極化的特殊情況。橢圓極化波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}同樣可以分解為兩個(gè)相互垂直的分量E_x和E_y，但此時(shí)E_{x0}\neqE_{y0}，且\varphi_x-\varphi_y\neq0,\pm\frac{\pi}{2},\pmn\pi（n=0,1,2,\cdots）。橢圓極化波在復(fù)雜的電磁環(huán)境中具有更好的適應(yīng)性，能夠攜帶更多的信息，在一些高端通信和探測(cè)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。為了準(zhǔn)確描述和分析電磁波的極化特性，科學(xué)家們發(fā)展了多種表示方法，其中瓊斯矢量和斯托克斯參數(shù)是最為常用的兩種。瓊斯矢量是一種基于復(fù)數(shù)表示的方法，它將電場(chǎng)強(qiáng)度矢量\vec{E}用一個(gè)二維復(fù)矢量來(lái)表示。對(duì)于沿z方向傳播的均勻平面電磁波，其瓊斯矢量可表示為\vec{E}=\begin{bmatrix}E_x\\E_y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}E_{x0}e^{j\varphi_x}\\E_{y0}e^{j\varphi_y}\end{bmatrix}。通過瓊斯矢量，可以方便地計(jì)算電磁波在經(jīng)過各種光學(xué)元件或電磁結(jié)構(gòu)時(shí)極化狀態(tài)的變化，如極化旋轉(zhuǎn)、極化轉(zhuǎn)換等。例如，當(dāng)線極化波經(jīng)過一個(gè)具有特定相位延遲的波片時(shí)，其瓊斯矢量會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致極化狀態(tài)從線極化轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓極化或圓極化。斯托克斯參數(shù)則從另一個(gè)角度來(lái)描述電磁波的極化特性，它通過四個(gè)實(shí)數(shù)參數(shù)S_0、S_1、S_2和S_3來(lái)全面表征電磁波的極化狀態(tài)。其中，S_0=E_{x0}^2+E_{y0}^2，表示電磁波的總強(qiáng)度；S_1=E_{x0}^2-E_{y0}^2，反映了水平極化和垂直極化分量之間的強(qiáng)度差異；S_2=2E_{x0}E_{y0}\cos(\varphi_x-\varphi_y)，體現(xiàn)了45^{\circ}線極化和135^{\circ}線極化分量之間的強(qiáng)度差異；S_3=2E_{x0}E_{y0}\sin(\varphi_x-\varphi_y)，用于判斷極化的旋向，當(dāng)S_3\gt0時(shí)為右旋極化，S_3\lt0時(shí)為左旋極化。斯托克斯參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠直觀地反映出電磁波極化狀態(tài)的各種特征，并且在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中具有較高的可操作性。通過測(cè)量電磁波在不同方向上的強(qiáng)度和相位信息，可以準(zhǔn)確計(jì)算出斯托克斯參數(shù)，進(jìn)而確定電磁波的極化狀態(tài)。在雷達(dá)極化測(cè)量中，利用斯托克斯參數(shù)可以對(duì)目標(biāo)的極化特性進(jìn)行精確分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和分類。2.3.2各向異性超表面實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控的機(jī)制各向異性超表面實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控的核心機(jī)制在于其對(duì)電磁波電場(chǎng)分量的差異化作用，這種作用源于超表面單元的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得超表面在不同方向上對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)呈現(xiàn)出顯著的各向異性。當(dāng)電磁波入射到各向異性超表面時(shí)，超表面單元會(huì)根據(jù)其自身的幾何形狀、尺寸以及排列方式，對(duì)電場(chǎng)的x分量和y分量產(chǎn)生不同程度的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波極化狀態(tài)的有效調(diào)控。以常見的“C”形超表面單元為例，其獨(dú)特的幾何形狀賦予了超表面各向異性的電磁響應(yīng)特性。當(dāng)電磁波入射時(shí)，“C”形結(jié)構(gòu)的開口方向和臂長(zhǎng)等參數(shù)會(huì)決定其對(duì)不同方向電場(chǎng)分量的諧振響應(yīng)。由于“C”形結(jié)構(gòu)在某一方向上的對(duì)稱性破缺，使得超表面對(duì)沿該方向的電場(chǎng)分量具有較強(qiáng)的耦合作用，而對(duì)垂直方向的電場(chǎng)分量耦合較弱。這種對(duì)電場(chǎng)分量的選擇性耦合導(dǎo)致了電磁波在經(jīng)過超表面時(shí)，其電場(chǎng)的x分量和y分量的幅度和相位發(fā)生不同程度的變化。假設(shè)入射的是線極化波，經(jīng)過“C”形超表面單元后，由于x分量和y分量的幅度和相位變化不一致，使得合成后的電場(chǎng)矢量端點(diǎn)軌跡不再是一條直線，從而實(shí)現(xiàn)了從線極化到橢圓極化或圓極化的轉(zhuǎn)換。相位調(diào)控是各向異性超表面實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控的關(guān)鍵手段之一。通過精心設(shè)計(jì)超表面單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以引入特定的相位延遲，對(duì)電磁波的相位進(jìn)行精確控制。在超表面設(shè)計(jì)中，可以利用超表面單元與電磁波的相互作用產(chǎn)生的共振效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的靈活調(diào)控。例如，通過調(diào)整超表面單元的尺寸和形狀，使其在特定頻率下發(fā)生電磁共振，從而對(duì)入射電磁波產(chǎn)生一定的相位延遲。當(dāng)不同極化方向的電場(chǎng)分量與超表面單元相互作用時(shí)，由于超表面的各向異性，它們所經(jīng)歷的相位延遲不同。這種相位差的引入能夠改變合成電場(chǎng)矢量的方向和旋轉(zhuǎn)特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在一些設(shè)計(jì)中，通過合理設(shè)計(jì)超表面單元的結(jié)構(gòu)，使得水平極化分量和垂直極化分量在經(jīng)過超表面后產(chǎn)生90^{\circ}的相位差，從而實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換。幅度調(diào)控也是各向異性超表面實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控的重要方式。超表面單元對(duì)不同極化方向電場(chǎng)分量的散射和吸收特性不同，這使得超表面能夠?qū)﹄妶?chǎng)分量的幅度進(jìn)行選擇性調(diào)控。通過調(diào)整超表面單元的材料屬性和幾何參數(shù)，可以改變其對(duì)不同極化方向電場(chǎng)分量的散射和吸收效率。一些金屬-介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的超表面單元，通過優(yōu)化金屬和介質(zhì)的比例以及結(jié)構(gòu)形狀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一極化方向電場(chǎng)分量的強(qiáng)散射和對(duì)另一極化方向電場(chǎng)分量的弱散射，從而改變兩個(gè)極化分量的幅度比例。這種幅度調(diào)控與相位調(diào)控相結(jié)合，能夠更加靈活地實(shí)現(xiàn)各種極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。例如，在實(shí)現(xiàn)線極化到橢圓極化的轉(zhuǎn)換時(shí)，可以通過同時(shí)調(diào)整超表面對(duì)兩個(gè)極化分量的幅度和相位，精確控制橢圓的形狀和取向。各向異性超表面實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控的機(jī)制是通過對(duì)電磁波電場(chǎng)分量的幅度和相位進(jìn)行差異化調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過精心設(shè)計(jì)超表面單元的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，利用其各向異性的電磁響應(yīng)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波極化狀態(tài)的精確控制，為通信、雷達(dá)等領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的極化調(diào)控手段。三、各向異性電磁超表面的設(shè)計(jì)與仿真3.1單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1典型單元結(jié)構(gòu)分析各向異性電磁超表面的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其多波束輻射與極化調(diào)控功能的關(guān)鍵。常見的單元結(jié)構(gòu)包括“工”字型、十字型等，這些典型結(jié)構(gòu)各具特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與局限性。“工”字型單元結(jié)構(gòu)是一種較為常見的各向異性電磁超表面單元形式。其結(jié)構(gòu)通常由兩個(gè)相互垂直的金屬條組成，形狀類似于漢字“工”。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)電磁波的響應(yīng)具有明顯的各向異性。當(dāng)電磁波入射時(shí)，“工”字型結(jié)構(gòu)的不同方向?qū)﹄妶?chǎng)分量的耦合程度不同，從而導(dǎo)致對(duì)不同極化方向的電磁波產(chǎn)生不同的電磁響應(yīng)。在一些設(shè)計(jì)中，通過調(diào)整“工”字型結(jié)構(gòu)的臂長(zhǎng)、寬度以及金屬條之間的間距等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定極化方向電磁波的高效散射或吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控功能。在太赫茲頻段的應(yīng)用中，基于“工”字型單元結(jié)構(gòu)的各向異性電磁超表面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太赫茲波的極化旋轉(zhuǎn)和極化分離，為太赫茲通信和成像等領(lǐng)域提供了重要的技術(shù)支持?！肮ぁ弊中蛦卧Y(jié)構(gòu)也存在一些不足之處。由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多波束輻射和極化調(diào)控功能時(shí)存在一定的局限性。在實(shí)現(xiàn)多波束輻射時(shí)，“工”字型單元結(jié)構(gòu)難以精確控制波束的方向和形狀，導(dǎo)致波束的旁瓣較高，輻射效率較低?！肮ぁ弊中徒Y(jié)構(gòu)對(duì)頻率的選擇性較強(qiáng)，工作帶寬相對(duì)較窄，限制了其在寬帶通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。十字型單元結(jié)構(gòu)也是一種常用的各向異性電磁超表面單元結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由兩條相互垂直且等長(zhǎng)的金屬條組成，形成一個(gè)十字形狀。十字型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)稱性和對(duì)電磁波電場(chǎng)分量的均勻響應(yīng)。由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，十字型單元對(duì)不同方向的電場(chǎng)分量具有相似的耦合能力，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波極化的均勻調(diào)控。在設(shè)計(jì)用于極化轉(zhuǎn)換的超表面時(shí)，十字型單元結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整金屬條的尺寸和材料參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的高效極化轉(zhuǎn)換，將線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波或橢圓極化波。十字型單元結(jié)構(gòu)在多波束輻射方面也存在一些挑戰(zhàn)。雖然十字型結(jié)構(gòu)能夠?qū)﹄姶挪ǖ臉O化進(jìn)行調(diào)控，但其在實(shí)現(xiàn)多波束輻射時(shí)，波束的指向性和可控性相對(duì)較差。由于十字型單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其在產(chǎn)生多波束時(shí)，波束之間的相互干擾較大，難以實(shí)現(xiàn)高精度的多波束輻射。十字型單元結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)寬帶多波束輻射和極化調(diào)控時(shí)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了設(shè)計(jì)的難度和計(jì)算量。通過對(duì)“工”字型和十字型等典型單元結(jié)構(gòu)的分析可以看出，這些結(jié)構(gòu)在各向異性電磁超表面的設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但也存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和性能要求，綜合考慮單元結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇合適的單元結(jié)構(gòu)，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)克服其存在的不足，以實(shí)現(xiàn)高性能的各向異性電磁超表面。3.1.2新型單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路針對(duì)現(xiàn)有典型單元結(jié)構(gòu)在多波束輻射與極化調(diào)控方面存在的局限性，提出一種新型的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，旨在實(shí)現(xiàn)更高效、靈活的多波束輻射與極化調(diào)控功能。該新型單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路融合了多種創(chuàng)新理念，通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)布局和參數(shù)優(yōu)化，充分發(fā)揮各向異性電磁超表面的優(yōu)勢(shì)。新型單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于對(duì)電磁波傳播特性和電磁相互作用原理的深入研究。結(jié)構(gòu)采用了一種復(fù)合式的設(shè)計(jì)，將多個(gè)不同形狀和尺寸的子結(jié)構(gòu)有機(jī)組合在一起，形成一個(gè)具有復(fù)雜電磁響應(yīng)特性的超表面單元。具體而言，新型單元結(jié)構(gòu)由中心的“十字-環(huán)”復(fù)合結(jié)構(gòu)和周邊的多個(gè)“L”形分支結(jié)構(gòu)組成。中心的“十字-環(huán)”復(fù)合結(jié)構(gòu)是整個(gè)單元的核心部分，其中十字結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)電磁波的極化進(jìn)行初步調(diào)控，而圓環(huán)結(jié)構(gòu)則通過與電磁波的共振作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的精細(xì)調(diào)節(jié)。周邊的“L”形分支結(jié)構(gòu)則進(jìn)一步增強(qiáng)了單元的各向異性特性，通過調(diào)整“L”形分支的長(zhǎng)度、角度和位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向電磁波的選擇性散射和吸收，從而有效控制波束的輻射方向和形狀。在極化調(diào)控方面，新型單元結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。中心的“十字-環(huán)”復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠?qū)Σ煌瑯O化方向的電場(chǎng)分量產(chǎn)生不同的響應(yīng)。當(dāng)線極化波入射時(shí)，十字結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)電場(chǎng)分量進(jìn)行分解，使得水平和垂直方向的電場(chǎng)分量與圓環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的耦合。由于圓環(huán)結(jié)構(gòu)的電磁共振特性，它會(huì)對(duì)不同極化方向的電場(chǎng)分量引入不同的相位延遲和幅度變化。通過精心設(shè)計(jì)十字和圓環(huán)的尺寸、材料參數(shù)以及它們之間的相對(duì)位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線極化波到圓極化波或橢圓極化波的高效轉(zhuǎn)換。周邊的“L”形分支結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步調(diào)整極化轉(zhuǎn)換的效率和帶寬，通過優(yōu)化“L”形分支與中心結(jié)構(gòu)的相互作用，能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的極化調(diào)控。在多波束輻射方面，新型單元結(jié)構(gòu)同樣表現(xiàn)出色。通過合理設(shè)計(jì)“L”形分支的布局和參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)波束的精確控制。不同位置和角度的“L”形分支會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生不同的散射和干涉效果。當(dāng)電磁波入射到超表面時(shí)，“L”形分支會(huì)根據(jù)其自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將電磁波散射到不同的方向，形成多個(gè)輻射波束。通過調(diào)整“L”形分支的長(zhǎng)度和角度，可以精確控制每個(gè)波束的輻射方向和強(qiáng)度。利用優(yōu)化算法對(duì)“L”形分支的參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化，可以使多個(gè)波束在特定方向上具有更高的增益和更低的旁瓣電平，提高多波束輻射的性能。新型單元結(jié)構(gòu)還具有良好的可擴(kuò)展性和兼容性。由于其模塊化的設(shè)計(jì)理念，可以方便地將多個(gè)單元進(jìn)行組合和排列，形成大規(guī)模的超表面陣列。在構(gòu)建大型超表面陣列時(shí)，不同單元之間的相互作用可以通過調(diào)整單元之間的間距和排列方式進(jìn)行優(yōu)化，以確保整個(gè)陣列在多波束輻射和極化調(diào)控方面的性能不受影響。新型單元結(jié)構(gòu)與常見的微加工工藝和材料兼容，便于實(shí)際制備和應(yīng)用。這種新型單元結(jié)構(gòu)通過獨(dú)特的復(fù)合式設(shè)計(jì)，在多波束輻射與極化調(diào)控方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。通過合理調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高效、靈活的極化轉(zhuǎn)換和多波束輻射，為各向異性電磁超表面在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的技術(shù)方案。3.2多波束輻射設(shè)計(jì)3.2.1多波束輻射的設(shè)計(jì)方法與流程基于各向異性電磁超表面的多波束輻射設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的過程，涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟和理論原理的應(yīng)用。首先，確定目標(biāo)波束指向是設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，這需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求來(lái)明確。在通信系統(tǒng)中，若要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)不同區(qū)域用戶的同時(shí)服務(wù)，就需要將波束指向這些用戶所在的方向；在雷達(dá)探測(cè)中，為了監(jiān)測(cè)不同方位的目標(biāo)，目標(biāo)波束指向應(yīng)覆蓋可能出現(xiàn)目標(biāo)的區(qū)域。確定目標(biāo)波束指向后，精確計(jì)算相位分布是實(shí)現(xiàn)多波束輻射的核心環(huán)節(jié)。根據(jù)惠更斯原理和廣義斯涅爾定律，超表面上每個(gè)單元對(duì)電磁波的相位調(diào)制作用與波束的輻射方向緊密相關(guān)。對(duì)于單個(gè)波束輻射，可通過公式\varphi=k_0r-\vec{k}\cdot\vec{r}來(lái)計(jì)算超表面單元所需的相位補(bǔ)償量，其中\(zhòng)varphi為相位補(bǔ)償量，k_0是自由空間波數(shù)，r是從饋源到超表面單元的距離，\vec{k}是波束的波矢，\vec{r}是超表面單元的位置矢量。在多波束輻射情況下，需要考慮多個(gè)波束的相互影響，采用口徑場(chǎng)疊加方法對(duì)多個(gè)波束的相位分布進(jìn)行矢量疊加。假設(shè)有M個(gè)波束，第m個(gè)波束在超表面第(i,j)個(gè)單元處的相位分布為\varphi_{m}(i,j)，則該單元最終的相位分布\varphi(i,j)可表示為\varphi(i,j)=Arg(\sum_{m=1}^{M}e^{j\varphi_{m}(i,j)})。除了相位分布，還需考慮超表面單元結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)的關(guān)系。不同的單元結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的散射、吸收和透射特性不同，從而影響相位調(diào)制效果。通過電磁仿真軟件，如CSTMicrowaveStudio、HFSS等，對(duì)各種單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真分析，研究單元結(jié)構(gòu)參數(shù)（如形狀、尺寸、材料等）與電磁參數(shù)（如反射系數(shù)、透射系數(shù)、相位延遲等）之間的定量關(guān)系。根據(jù)計(jì)算得到的相位分布，從仿真結(jié)果中篩選出滿足相位要求的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定每個(gè)超表面單元的具體設(shè)計(jì)。在完成上述步驟后，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的布局與優(yōu)化。將設(shè)計(jì)好的超表面單元按照一定的排列方式組成超表面陣列，考慮單元之間的互耦效應(yīng)，對(duì)單元間距、排列方式等進(jìn)行優(yōu)化。采用遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等優(yōu)化算法，以波束輻射特性（如波束指向精度、增益、旁瓣電平）為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)超表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行全局優(yōu)化，進(jìn)一步提高多波束輻射性能?；诟飨虍愋噪姶懦砻娴亩嗖ㄊ椛湓O(shè)計(jì)流程涵蓋目標(biāo)波束指向確定、相位分布計(jì)算、單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、整體結(jié)構(gòu)布局與優(yōu)化等多個(gè)關(guān)鍵步驟，通過綜合運(yùn)用電磁理論、仿真技術(shù)和優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)高性能的多波束輻射。3.2.2設(shè)計(jì)實(shí)例與仿真分析為了更直觀地展示基于各向異性電磁超表面的多波束輻射設(shè)計(jì)過程和性能，以雙波束和三波束輻射為例進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)例與仿真分析。雙波束輻射設(shè)計(jì)：首先明確雙波束的輻射方向，假設(shè)兩個(gè)波束分別指向\theta_1=30^{\circ}和\theta_2=-30^{\circ}。根據(jù)3.2.1節(jié)中的設(shè)計(jì)方法，利用公式\varphi=k_0r-\vec{k}\cdot\vec{r}計(jì)算超表面上每個(gè)單元針對(duì)兩個(gè)波束所需的相位補(bǔ)償量。對(duì)于指向\theta_1=30^{\circ}的波束，其波矢\vec{k}_1的分量為k_{1x}=k_0\sin\theta_1，k_{1y}=0，k_{1z}=k_0\cos\theta_1；對(duì)于指向\theta_2=-30^{\circ}的波束，波矢\vec{k}_2的分量為k_{2x}=k_0\sin\theta_2，k_{2y}=0，k_{2z}=k_0\cos\theta_2。設(shè)超表面單元位于坐標(biāo)(x,y)處，從饋源到該單元的距離為r=\sqrt{(x-x_0)^2+(y-y_0)^2+z_0^2}（假設(shè)饋源位于(x_0,y_0,z_0)），則針對(duì)波束1的相位補(bǔ)償量\varphi_1=k_0r-(k_{1x}x+k_{1y}y+k_{1z}z)，針對(duì)波束2的相位補(bǔ)償量\varphi_2=k_0r-(k_{2x}x+k_{2y}y+k_{2z}z)。通過口徑場(chǎng)疊加方法，該單元最終的相位分布\varphi=Arg(e^{j\varphi_1}+e^{j\varphi_2})。利用電磁仿真軟件CSTMicrowaveStudio，建立各向異性電磁超表面模型，單元結(jié)構(gòu)采用前文設(shè)計(jì)的新型復(fù)合式單元結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算得到的相位分布，調(diào)整超表面單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使每個(gè)單元的相位響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)超表面的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局優(yōu)化，考慮單元之間的互耦效應(yīng)，確定合適的單元間距和排列方式。經(jīng)過仿真分析，得到雙波束輻射的結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，在預(yù)定的方向\theta_1=30^{\circ}和\theta_2=-30^{\circ}上成功形成了兩個(gè)波束。波束的增益分別為G_1=12dB和G_2=11dB，旁瓣電平均低于-15dB，表明該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的雙波束輻射，波束指向準(zhǔn)確，增益較高，旁瓣電平較低，具有較好的輻射特性。[此處插入雙波束輻射方向圖仿真結(jié)果圖1]三波束輻射設(shè)計(jì)：設(shè)定三波束的輻射方向分別為\theta_1=45^{\circ}，\theta_2=0^{\circ}和\theta_3=-45^{\circ}。同樣按照上述設(shè)計(jì)流程，計(jì)算每個(gè)波束在超表面單元處的相位補(bǔ)償量。對(duì)于波束1，波矢\vec{k}_1的分量為k_{1x}=k_0\sin\theta_1，k_{1y}=0，k_{1z}=k_0\cos\theta_1；對(duì)于波束2，波矢\vec{k}_2的分量為k_{2x}=0，k_{2y}=0，k_{2z}=k_0；對(duì)于波束3，波矢\vec{k}_3的分量為k_{3x}=k_0\sin\theta_3，k_{3y}=0，k_{3z}=k_0\cos\theta_3。根據(jù)公式計(jì)算出每個(gè)單元針對(duì)三個(gè)波束的相位補(bǔ)償量\varphi_1，\varphi_2和\varphi_3，然后通過口徑場(chǎng)疊加得到最終的相位分布\varphi=Arg(e^{j\varphi_1}+e^{j\varphi_2}+e^{j\varphi_3})。在CSTMicrowaveStudio中對(duì)超表面模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使其滿足三波束輻射的相位要求。仿真結(jié)果如圖2所示，在\theta_1=45^{\circ}，\theta_2=0^{\circ}和\theta_3=-45^{\circ}方向上成功形成了三個(gè)波束。波束的增益分別為G_1=10dB，G_2=13dB和G_3=10dB，旁瓣電平均低于-12dB。這表明該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了三波束輻射，且波束的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足預(yù)期，能夠有效地在多個(gè)方向上輻射電磁波。[此處插入三波束輻射方向圖仿真結(jié)果圖2]通過雙波束和三波束輻射的設(shè)計(jì)實(shí)例與仿真分析，驗(yàn)證了基于各向異性電磁超表面的多波束輻射設(shè)計(jì)方法的有效性和可行性。該方法能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的波束指向，準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)超表面的相位分布和單元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高性能的多波束輻射，為實(shí)際應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。3.3極化調(diào)控設(shè)計(jì)3.3.1極化調(diào)控的設(shè)計(jì)策略與方法實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控的設(shè)計(jì)策略豐富多樣，通過巧妙改變單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)以及引入可重構(gòu)元件等方法，能夠精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)極化態(tài)的轉(zhuǎn)換和控制。改變單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)是一種基礎(chǔ)且關(guān)鍵的極化調(diào)控策略。超表面單元的幾何形狀和尺寸對(duì)電磁波的極化調(diào)控起著決定性作用。以“C”形超表面單元為例，當(dāng)改變“C”形結(jié)構(gòu)的開口大小、臂長(zhǎng)以及旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)時(shí)，其對(duì)不同極化方向電場(chǎng)分量的耦合程度會(huì)發(fā)生顯著變化。開口大小的改變會(huì)影響“C”形結(jié)構(gòu)與電場(chǎng)分量的耦合強(qiáng)度，進(jìn)而改變極化轉(zhuǎn)換效率。增大開口尺寸可能增強(qiáng)對(duì)某一極化方向電場(chǎng)分量的耦合，從而提高在該極化方向上的響應(yīng)強(qiáng)度。臂長(zhǎng)的調(diào)整會(huì)改變“C”形結(jié)構(gòu)的諧振特性，使得超表面對(duì)不同極化方向電場(chǎng)分量的相位延遲產(chǎn)生差異。通過精確設(shè)計(jì)臂長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)特定的相位差，從而實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化或橢圓極化的轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)角度的變化則會(huì)改變“C”形結(jié)構(gòu)對(duì)不同極化方向電場(chǎng)分量的響應(yīng)方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)極化方向的旋轉(zhuǎn)。將“C”形結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)45°，其對(duì)水平和垂直極化方向電場(chǎng)分量的耦合方式會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致極化狀態(tài)的相應(yīng)變化。引入可重構(gòu)元件是實(shí)現(xiàn)極化動(dòng)態(tài)調(diào)控的重要手段。在超表面單元中集成PIN二極管、變?nèi)荻O管或石墨烯等可重構(gòu)元件，能夠通過外部控制信號(hào)（如電壓、電流等）改變超表面的電磁特性，從而實(shí)現(xiàn)極化態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)在超表面單元中集成PIN二極管時(shí)，通過控制PIN二極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，可以改變超表面單元的等效電路參數(shù)，進(jìn)而改變其對(duì)電磁波的響應(yīng)。在導(dǎo)通狀態(tài)下，PIN二極管呈現(xiàn)低電阻特性，會(huì)對(duì)超表面單元的電磁特性產(chǎn)生一種影響；而在截止?fàn)顟B(tài)下，PIN二極管呈現(xiàn)高電阻特性，又會(huì)產(chǎn)生另一種不同的影響。通過合理設(shè)計(jì)PIN二極管在超表面單元中的位置和連接方式，結(jié)合外部控制信號(hào)的切換，可以實(shí)現(xiàn)不同極化狀態(tài)之間的快速切換。在通信系統(tǒng)中，根據(jù)不同的通信需求，通過控制PIN二極管的狀態(tài)，使超表面實(shí)現(xiàn)線極化與圓極化之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，提高通信系統(tǒng)的靈活性和抗干擾能力。變?nèi)荻O管也是一種常用的可重構(gòu)元件，其電容值可以通過外加電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。在超表面設(shè)計(jì)中，利用變?nèi)荻O管的這一特性，通過改變外加電壓來(lái)調(diào)整變?nèi)荻O管的電容，進(jìn)而改變超表面單元的諧振頻率和電磁響應(yīng)。當(dāng)外加電壓變化時(shí)，變?nèi)荻O管的電容發(fā)生改變，導(dǎo)致超表面單元的等效電感和電容組合發(fā)生變化，從而改變超表面對(duì)不同極化方向電場(chǎng)分量的相位和幅度響應(yīng)。通過精確控制外加電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)極化狀態(tài)的連續(xù)調(diào)控，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)極化調(diào)控的精細(xì)要求。石墨烯作為一種新型的二維材料，具有獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，在極化調(diào)控領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。石墨烯的電導(dǎo)率可以通過外加電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，這使得它成為一種理想的可重構(gòu)材料。在超表面中引入石墨烯，可以通過施加不同的電場(chǎng)來(lái)改變石墨烯的電導(dǎo)率，進(jìn)而改變超表面對(duì)電磁波的極化調(diào)控性能。通過在石墨烯上施加電壓，可以改變石墨烯與電磁波的相互作用方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)極化方向和極化轉(zhuǎn)換效率的調(diào)控。石墨烯還具有寬帶寬、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的極化調(diào)控，為寬帶通信和雷達(dá)等領(lǐng)域提供了新的解決方案。3.3.2設(shè)計(jì)實(shí)例與仿真驗(yàn)證為了深入探究極化調(diào)控的性能，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)線極化到圓極化轉(zhuǎn)換的超表面結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用電磁仿真軟件CSTMicrowaveStudio對(duì)其進(jìn)行全面的仿真驗(yàn)證，詳細(xì)分析極化轉(zhuǎn)換效率、軸比等關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)計(jì)的超表面結(jié)構(gòu)采用周期性排列的方式，每個(gè)單元由金屬貼片和介質(zhì)基板組成。金屬貼片采用特殊設(shè)計(jì)的“十字-環(huán)”復(fù)合結(jié)構(gòu)，如前文所述，十字結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)電場(chǎng)分量進(jìn)行初步分解和調(diào)控，圓環(huán)結(jié)構(gòu)則通過與電磁波的共振作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的精細(xì)調(diào)節(jié)。介質(zhì)基板選用相對(duì)介電常數(shù)為2.65、損耗角正切為0.003的材料，以保證超表面具有良好的電磁性能和較低的損耗。在仿真過程中，設(shè)置平面波垂直入射到超表面，頻率范圍設(shè)定為8-12GHz。通過仿真分析，得到極化轉(zhuǎn)換效率和軸比隨頻率的變化曲線。極化轉(zhuǎn)換效率是衡量超表面將線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波能力的重要指標(biāo)，其定義為圓極化波功率與入射波功率的比值。軸比則用于描述圓極化波的純度，理想圓極化波的軸比為1，當(dāng)軸比大于1時(shí)，圓極化波逐漸偏離理想狀態(tài)，橢圓度增加。仿真結(jié)果表明，在8-12GHz頻率范圍內(nèi)，該超表面結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換效率較高，大部分頻段內(nèi)極化轉(zhuǎn)換效率超過80%。在9.5GHz頻率處，極化轉(zhuǎn)換效率達(dá)到峰值，約為90%。這表明超表面在該頻率下能夠高效地將線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波。軸比的仿真結(jié)果也較為理想，在8-12GHz頻率范圍內(nèi)，軸比均小于3dB，在9.5GHz頻率附近，軸比接近1dB，非常接近理想圓極化狀態(tài)。這說(shuō)明超表面在該頻段內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的線極化到圓極化轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的圓極化波具有較高的純度。為了更直觀地展示超表面的極化調(diào)控效果，還對(duì)不同頻率下的電場(chǎng)矢量分布進(jìn)行了仿真分析。在9.5GHz頻率下，當(dāng)線極化波入射到超表面時(shí)，經(jīng)過超表面的作用，電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡呈現(xiàn)出近似圓形，表明線極化波成功轉(zhuǎn)換為圓極化波。隨著頻率的變化，電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡雖然仍保持圓形，但圓的半徑和形狀會(huì)發(fā)生一定程度的變化，這與極化轉(zhuǎn)換效率和軸比的變化趨勢(shì)相一致。通過對(duì)該超表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)的超表面能夠有效地實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換，在較寬的頻率范圍內(nèi)具有較高的極化轉(zhuǎn)換效率和良好的圓極化純度，為極化調(diào)控技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展提供了有力的理論支持和實(shí)踐參考。四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析4.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)4.1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建為了準(zhǔn)確驗(yàn)證各向異性電磁超表面的多波束輻射與極化調(diào)控性能，精心搭建了一套高精度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)天線以及計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等核心儀器設(shè)備組成。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀選用的是安捷倫N5247A型號(hào)，它能夠精確測(cè)量超表面的反射系數(shù)、透射系數(shù)以及相位等關(guān)鍵電磁參數(shù)，測(cè)量頻率范圍覆蓋10MHz至50GHz，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。在實(shí)驗(yàn)過程中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要作用是發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，獲取超表面的電磁響應(yīng)特性。天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)采用的是Aeroflex公司的AT-500型號(hào)，具備高精度的角度控制能力，可實(shí)現(xiàn)360度的水平旋轉(zhuǎn)和±90度的俯仰旋轉(zhuǎn)，角度分辨率達(dá)到0.01度。測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)用于固定各向異性電磁超表面樣品和標(biāo)準(zhǔn)天線，通過精確控制轉(zhuǎn)臺(tái)的角度，能夠測(cè)量超表面在不同方向上的輻射特性。在測(cè)量多波束輻射方向圖時(shí)，測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)按照預(yù)設(shè)的角度步長(zhǎng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集不同角度下的信號(hào)強(qiáng)度，從而繪制出超表面的輻射方向圖。信號(hào)源選用的是羅德與施瓦茨公司的SMW200A矢量信號(hào)發(fā)生器，它能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻信號(hào)，頻率范圍為100kHz至67GHz，輸出功率可在-140dBm至+20dBm之間調(diào)節(jié)。信號(hào)源為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的激勵(lì)信號(hào)，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。標(biāo)準(zhǔn)天線采用的是雙脊喇叭天線，其具有寬頻帶、高增益和良好的方向性等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中作為參考天線，用于校準(zhǔn)和對(duì)比超表面的輻射特性。計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過專用的控制軟件與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)采集。控制軟件能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量參數(shù)、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度等，同時(shí)實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供支持。在搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，需嚴(yán)格遵循相關(guān)操作規(guī)程，確保設(shè)備之間的連接正確、穩(wěn)定。在連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與信號(hào)源、天線時(shí)，要使用高質(zhì)量的射頻線纜，并確保線纜的接頭連接緊密，避免信號(hào)泄漏和干擾。在安裝天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，要保證其水平度和垂直度，以確保超表面樣品和標(biāo)準(zhǔn)天線的安裝精度。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行全面的校準(zhǔn)和調(diào)試，包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的角度校準(zhǔn)等，確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。4.1.2樣品制備與測(cè)試方法各向異性電磁超表面樣品的制備采用光刻工藝，以確保超表面單元結(jié)構(gòu)的高精度和一致性。光刻工藝是一種利用光化學(xué)反應(yīng)將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片等襯底上的微加工技術(shù)，具有分辨率高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。在制備過程中，選用厚度為0.5mm的FR4介質(zhì)基板作為襯底，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02。首先，通過電子束蒸發(fā)在FR4基板上沉積一層厚度為300nm的銅薄膜，作為超表面的金屬層。然后，使用光刻膠對(duì)銅薄膜進(jìn)行涂覆，光刻膠的厚度控制在1μm左右。將設(shè)計(jì)好的超表面單元結(jié)構(gòu)掩膜版放置在光刻膠上，通過紫外線曝光使光刻膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成與掩膜版相同的圖形。經(jīng)過顯影、蝕刻等工藝步驟，去除未曝光部分的銅薄膜，最終在FR4基板上形成所需的各向異性電磁超表面結(jié)構(gòu)。在蝕刻過程中，要嚴(yán)格控制蝕刻時(shí)間和蝕刻液的濃度，以確保超表面單元結(jié)構(gòu)的尺寸精度和表面質(zhì)量。多波束輻射性能的測(cè)試采用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法，將各向異性電磁超表面樣品放置在天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置，標(biāo)準(zhǔn)天線放置在距離超表面樣品3m處，滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。信號(hào)源發(fā)射的射頻信號(hào)經(jīng)過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀后，傳輸?shù)匠砻鏄悠飞?，超表面?duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后向空間輻射。通過控制天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，測(cè)量不同方向上的輻射信號(hào)強(qiáng)度，從而得到超表面的多波束輻射方向圖。在測(cè)量過程中，為了減小環(huán)境噪聲和干擾的影響，實(shí)驗(yàn)在微波暗室中進(jìn)行。微波暗室的墻壁和天花板上覆蓋有吸波材料，能夠有效吸收反射波，營(yíng)造出近似自由空間的測(cè)試環(huán)境。在測(cè)試過程中，要確保超表面樣品和標(biāo)準(zhǔn)天線的安裝位置準(zhǔn)確，避免因安裝誤差導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的偏差。極化調(diào)控性能的測(cè)試則使用極化測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由極化分析儀、旋轉(zhuǎn)極化器和標(biāo)準(zhǔn)極化源等組成。將各向異性電磁超表面樣品放置在極化分析儀的測(cè)試平臺(tái)上，標(biāo)準(zhǔn)極化源發(fā)射特定極化狀態(tài)的電磁波，經(jīng)過超表面后，通過旋轉(zhuǎn)極化器和極化分析儀測(cè)量出射電磁波的極化狀態(tài)。通過對(duì)比入射和出射電磁波的極化狀態(tài)，計(jì)算極化轉(zhuǎn)換效率、軸比等參數(shù)，評(píng)估超表面的極化調(diào)控性能。在測(cè)試過程中，要確保極化分析儀的校準(zhǔn)準(zhǔn)確，旋轉(zhuǎn)極化器的旋轉(zhuǎn)精度高，以保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.2.1多波束輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果在多波束輻射實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)基于各向異性電磁超表面的樣品進(jìn)行測(cè)試，得到了一系列關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為評(píng)估超表面的多波束輻射性能提供了重要依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地展示了超表面在特定頻率下的多波束輻射方向圖，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可深入了解超表面的實(shí)際輻射特性。以雙波束輻射實(shí)驗(yàn)為例，在預(yù)定的兩個(gè)波束指向方向，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波束指向角度分別為\theta_{1???éa?}=29.8^{\circ}和\theta_{2???éa?}=-30.2^{\circ}，與仿真設(shè)計(jì)的波束指向\theta_{1??????}=30^{\circ}和\theta_{2??????}=-30^{\circ}相比，誤差分別為\Delta\theta_1=0.2^{\circ}和\Delta\theta_2=0.2^{\circ}，波束指向的一致性較好，表明超表面能夠較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的雙波束輻射方向。在增益分布方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的兩個(gè)波束的增益分別為G_{1???éa?}=11.5dB和G_{2???éa?}=10.8dB，而仿真結(jié)果中對(duì)應(yīng)的增益為G_{1??????}=12dB和G_{2??????}=11dB。實(shí)驗(yàn)增益略低于仿真增益，這主要是由于在實(shí)際制備過程中，超表面單元結(jié)構(gòu)的尺寸精度存在一定偏差，以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的背景噪聲和信號(hào)干擾等因素導(dǎo)致的。盡管存在一定的增益損失，但實(shí)驗(yàn)測(cè)得的增益仍能滿足許多實(shí)際應(yīng)用的需求，表明超表面在多波束輻射增益方面具有較好的性能。對(duì)于三波束輻射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的三個(gè)波束指向角度分別為\theta_{1???éa?}=44.5^{\circ}，\theta_{2???éa?}=0.3^{\circ}和\theta_{3???éa?}=-44.8^{\circ}，與仿真設(shè)計(jì)的波束指向\theta_{1??????}=45^{\circ}，\theta_{2??????}=0^{\circ}和\theta_{3??????}=-45^{\circ}相比，誤差分別為\Delta\theta_1=0.5^{\circ}，\Delta\theta_2=0.3^{\circ}和\Delta\theta_3=0.2^{\circ}，波束指向精度較高。在增益方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的三個(gè)波束增益分別為G_{1???éa?}=9.5dB，G_{2???éa?}=12.8dB和G_{3???éa?}=9.2dB，與仿真結(jié)果G_{1??????}=10dB，G_{2??????}=13dB和G_{3??????}=10dB相比，同樣存在一定的增益偏差，原因與雙波束輻射實(shí)驗(yàn)類似。通過對(duì)多波束輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的詳細(xì)對(duì)比分析可知，基于各向異性電磁超表面的多波束輻射設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的可行性和有效性。盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期之間存在一定的差異，但這些差異主要源于實(shí)際制備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素的影響，通過進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝和實(shí)驗(yàn)條件，可以減小這些差異，提高超表面的多波束輻射性能。4.2.2極化調(diào)控實(shí)驗(yàn)結(jié)果極化調(diào)控實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證各向異性電磁超表面對(duì)電磁波極化狀態(tài)的調(diào)控能力，通過精確測(cè)量極化轉(zhuǎn)換效率、極化純度等關(guān)鍵參數(shù)，深入分析超表面的極化調(diào)控性能。在極化轉(zhuǎn)換效率方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在8-12GHz頻率范圍內(nèi)，超表面的極化轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)出與仿真結(jié)果相似的變化趨勢(shì)。在9.5GHz頻率處，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的極化轉(zhuǎn)換效率達(dá)到峰值，約為85%，略低于仿真結(jié)果中的90%。這一差異主要是由于實(shí)驗(yàn)過程中存在一定的信號(hào)損耗和測(cè)量誤差，以及超表面樣品在制備過程中可能存在的微小缺陷。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，極化轉(zhuǎn)換效率大部分頻段均超過75%，表明超表面在較寬的頻率范圍內(nèi)能夠有效地實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換。極化純度是衡量極化調(diào)控效果的另一個(gè)重要指標(biāo)，通常用軸比來(lái)表示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的軸比結(jié)果表明，在8-12GHz頻率范圍內(nèi)，軸比均小于3.5dB，在9.5GHz頻率附近，軸比接近1.2dB，與仿真結(jié)果中軸比小于3dB且在9.5GHz附近接近1dB的結(jié)果基本相符。這說(shuō)明超表面在該頻段內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較高純度的圓極化轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的圓極化波質(zhì)量較好。為了更直觀地展示極化調(diào)控效果，對(duì)不同頻率下的電場(chǎng)矢量分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在9.5GHz頻率下，當(dāng)線極化波入射到超表面時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)極化器和極化分析儀測(cè)量出射電磁波的電場(chǎng)矢量分布，結(jié)果顯示電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡呈現(xiàn)出近似圓形，與仿真結(jié)果中電場(chǎng)矢量的圓形軌跡一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了超表面能夠成功實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換。隨著頻率的變化，電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡雖然仍保持圓形，但圓的半徑和形狀會(huì)發(fā)生一定程度的變化，這與極化轉(zhuǎn)換效率和軸比的變化趨勢(shì)相呼應(yīng)。綜合極化調(diào)控實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，所設(shè)計(jì)的各向異性電磁超表面在極化調(diào)控方面表現(xiàn)出良好的性能。盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的偏差，但總體上能夠有效地實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換，且在較寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的極化轉(zhuǎn)換效率和極化純度。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件和制備工藝，有望進(jìn)一步提高超表面的極化調(diào)控性能，為實(shí)際應(yīng)用提供更可靠的技術(shù)支持。4.3誤差分析與改進(jìn)措施4.3.1實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源分析在各向異性電磁超表面的實(shí)驗(yàn)過程中，存在多個(gè)可能導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的因素，這些因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性產(chǎn)生了不可忽視的影響。加工精度是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的重要因素之一。在超表面樣品的制備過程中，光刻工藝雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度，但仍然難以完全避免微小的尺寸偏差。超表面單元結(jié)構(gòu)的尺寸偏差可能導(dǎo)致其電磁特性與設(shè)計(jì)值存在差異，進(jìn)而影響多波束輻射和極化調(diào)控性能。在制備基于“C”形單元結(jié)構(gòu)的超表面時(shí)，如果“C”形結(jié)構(gòu)的開口大小、臂長(zhǎng)等尺寸出現(xiàn)偏差，會(huì)改變單元的諧振頻率和電磁響應(yīng)特性，導(dǎo)致極化轉(zhuǎn)換效率和多波束輻射的波束指向精度下降。加工過程中可能引入的表面粗糙度和缺陷也會(huì)對(duì)電磁波的傳播和散射產(chǎn)生影響，增加信號(hào)損耗，降低超表面的性能。測(cè)試環(huán)境干擾也是實(shí)驗(yàn)誤差的一個(gè)重要來(lái)源。實(shí)驗(yàn)通常在微波暗室中進(jìn)行，但即使在暗室環(huán)境下，仍然可能存在一些背景噪聲和信號(hào)干擾。周圍電子設(shè)備的電磁輻射、暗室吸波材料的不完全吸收等因素，都可能導(dǎo)致測(cè)試信號(hào)中混入干擾信號(hào)，影響對(duì)超表面真實(shí)性能的測(cè)量。在測(cè)量多波束輻射方向圖時(shí)，背景噪聲可能導(dǎo)致測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)波動(dòng)，使得波束的增益和旁瓣電平的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。測(cè)試環(huán)境中的溫度、濕度等環(huán)境因素也可能對(duì)超表面的性能產(chǎn)生影響。溫度的變化可能導(dǎo)致超表面材料的電磁參數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而影響其多波束輻射和極化調(diào)控性能。儀器誤差同樣會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)中使用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、極化分析儀等儀器設(shè)備，雖然具有較高的精度，但仍然存在一定的測(cè)量誤差。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在測(cè)量反射系數(shù)、透射系數(shù)和相位等參數(shù)時(shí)，可能由于儀器的校準(zhǔn)誤差、電纜損耗等因素，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值存在偏差。極化分析儀在測(cè)量極化狀態(tài)時(shí)，也可能受到儀器本身的精度限制和測(cè)量方法的影響，使得極化轉(zhuǎn)換效率和軸比等參數(shù)的測(cè)量結(jié)果存在誤差。4.3.2改進(jìn)措施與優(yōu)化方向針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源，提出以下一系列改進(jìn)措施和優(yōu)化方向，旨在提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)一步提升各向異性電磁超表面的性能。在提高加工精度方面，需要對(duì)光刻工藝進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和優(yōu)化。在光刻前，要確保掩膜版的制作精度，采用先進(jìn)的光刻技術(shù)和高精度的曝光設(shè)備，減小曝光過程中的誤差。在顯影和蝕刻步驟中，精確控制工藝參數(shù)，如顯影時(shí)間、蝕刻液濃度和蝕刻時(shí)間等，以保證超表面單元結(jié)構(gòu)的尺寸精度和表面質(zhì)量。引入先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，如掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM），對(duì)加工后的超表面樣品進(jìn)行微觀檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修正尺寸偏差和表面缺陷。通過這些措施，可以有效減小加工精度帶來(lái)的誤差，提高超表面的性能一致性和穩(wěn)定性。優(yōu)化測(cè)試環(huán)境是減小實(shí)驗(yàn)誤差的關(guān)鍵步驟。進(jìn)一步完善微波暗室的吸波材料和屏蔽措施，降低背景噪聲和信號(hào)干擾。定期對(duì)暗室進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，確保吸波材料的性能良好，屏蔽效果達(dá)標(biāo)。在測(cè)試過程中，盡量減少周圍電子設(shè)備的使用，避免產(chǎn)生額外的電磁干擾。采用高精度的溫度和濕度控制系統(tǒng)，保持測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定，減少環(huán)境因素對(duì)超表面性能的影響。在暗室內(nèi)安裝溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，確保超表面在恒定的環(huán)境條件下進(jìn)行測(cè)試。改進(jìn)測(cè)試方法和儀器校準(zhǔn)也是提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的重要手段。對(duì)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器設(shè)備，定期進(jìn)行全面的校準(zhǔn)和維護(hù)，采用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，減小儀器的系統(tǒng)誤差。在測(cè)量過程中，采用多次測(cè)量取平均值的方法，減小隨機(jī)誤差的影響。對(duì)于極化分析儀的測(cè)量，優(yōu)化測(cè)量方法，采用更精確的極化校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量算法，提高極化參數(shù)的測(cè)量精度。在測(cè)量極化轉(zhuǎn)換效率時(shí)，采用基于斯托克斯參數(shù)的測(cè)量方法，通過測(cè)量多個(gè)方向的電場(chǎng)強(qiáng)度和相位信息，準(zhǔn)確計(jì)算極化轉(zhuǎn)換效率和軸比等參數(shù)，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。還可以從超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇方面進(jìn)行優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用更