用于宽带及近乎完美波束倾斜的多层超表面Floquet域合成方法

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Floquet-Domain Synthesis of Multilayer Metasurfaces for Broadband and Nearly Perfect Beam Tilting

　　

摘要：

本研究在现实实现条件下，通过Floquet模式优化方法，评估了三层波束倾斜超表面在异常折射应用中的性能。研究还将该方案与基于各向异性超表面的解析设计方法进行了比较，重点分析了对称（阻抗均衡的惠更斯型）情况。先前的研究指出，由于固有的宏观周期性、波阻抗不匹配以及基板厚度不可忽略时的假设失效，解析模型存在局限性。实际应用中，由于局部周期性假设以及空间色散效应（入射角依赖性），还会出现与单元格离散化相关的差异。为解决这些问题，本研究提出了一种低空间色散的亚波长单元格，使得能够利用纯反应型、符号变化的阻抗结构来实现波束倾斜超表面。该单元格的响应通过从耶路撒冷十字形槽结构逐渐变为复杂方形补片的结构设计，实现从电感行为到电容行为的平滑过渡。使用Rogers RO3003基板在29 GHz频率下进行的全波仿真表明，对于0°到50°的折射角度，阻抗均衡的惠更斯型设计可获得约70%的峰值效率，且带宽有限；而Floquet模式优化方法在存在损耗的情况下仍能实现86.1%的效率，带宽则是前者的两倍多。将Floquet模式优化方法应用于0°到73°的折射角度时，效率可达到88.4%。这些成果优于那些未经过宏观周期性优化的现有方案，证明了Floquet域优化方法是实现宽带、高效率多层超表面的关键技术。