一种用于实现同频共调制的超表面天线相位合成方法

本发明涉及超表面天线调制，特别涉及一种用于实现同频共调制的超表面天线相位合成方法及同频共调制超表面天线。

背景技术：

1、超表面天线凭借其低剖面、低损耗及灵活的波前调控能力，已成为毫米波通信系统的关键技术；在雷达探测与全双工通信等复杂应用场景中，往往需要在同一个物理孔径内同时对表面波（surface wave, sw）和自由空间波（free-space wave, fsw）进行独立调控。

2、现有研究人员提出了空间交错排布（interleaved）方案，该方案通过将阵列单元在空间上划分为两组：一组专用于控制表面波，另一组专用于控制自由空间波；然由于表面波的相位分布（同心椭圆渐变）与自由空间波的相位分布（同心圆或线性渐变）在数学形态上存在根本性冲突，那么在独立单元上将表面波所需的相位分布与自由空间波所需的相位分布进行直接相加时，由于两种相位在同一位置进行叠加，叠加后的数值在阵列边缘或相位奇点处几乎必然超出反射单元所能提供的物理相位调节范围。

3、因此研究人员对超出边界的相位值进行加减360°整数倍的折叠映射，将其折叠回物理相位调节范围，但两种完全不同空间波的相位分布被强行叠加并折叠时，折叠操作会在干扰原有的相位梯度，导致辐射主波束产生大幅度的畸变，最终难以稳定的实现双波同频共调制的超表面天线的波束形成。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种用于实现同频共调制的超表面天线相位合成方法，可以解决现有技术中，存在的问题。

2、本发明实施例提供一种用于实现同频共调制的超表面天线相位合成方法，所述超表面天线包含多个呈阵列排布的反射单元，包括以下步骤：

3、获取目标超表面天线的表面波相位控制分布与自由空间波相位控制分布；

4、获取目标超表面天线内反射单元能够实现的实际可调物理相位区间，对预设的第一权重系数和第二权重系数进行压缩约束，形成约束后的第一权重系数和第二权重系数；利用约束后的第一权重系数和第二权重系数，对目标超表面天线的表面波相位控制分布与自由空间波相位控制分布进行逐反射相位叠加，形成目标超表面天线的相位合成分布，使相位合成分布中的各相位值均位于实际可调物理相位区间内；

5、将目标超表面天线的相位合成分布中的各相位值分别映射至对应反射单元的物理结构参数上，完成目标超表面天线的相位配置。

6、优选地，所述对预设的第一权重系数和第二权重系数进行约束，包括：

7、通过全波仿真或实测提取目标超表面天线中该类反射单元结构在预设工作频段内能够实现的反射相位变化范围，形成一个适用于目标超表面天线中所有反射单元的实际可调物理相位区间；其中，该实际可调物理相位区间由该类反射单元结构的最小可达相位值和最大可达相位值界定；

8、基于实际可调物理相位区间的跨度，调整预设的第一权重系数和第二权重系数的相对比例，实现对第一权重系数和第二权重系数的归一化约束，使得约束后的第一权重系数与第二权重系数之和为1。

9、优选地，所述表面波相位控制分布分解为相互正交的第一极化方向相位分布与第二极化方向相位分布；

10、所述第一权重系数分解为第三权重系数和第四权重系数，以将第三权重系数配置于第一极化方向相位分布上，将第四权重系数配置于第二极化方向相位分布上；

11、当第三权重系数与第四权重系数相等，且所配置的第一极化方向相位分布与第二极化方向相位分布的相位差为90°时，目标超表面天线在表面波激励下辐射出圆极化波束。

12、优选地，所述第一权重系数和第二权重系数归一化约束后，归一化约束后的第一权重系数和第二权重系数之和为1；

13、所述第一权重系数分解为第三权重系数和第四权重系数并进行归一化约束后，归一化约束后的第三权重系数、第四权重系数和第二权重系数之和为1。

14、优选地，根据实际可调物理相位区间的跨度，按比例分配归一化约束后的第三权重系数、第四权重系数和第二权重系数的数值，使目标超表面天线的相位合成分布中所有相位值被限定于实际可调物理相位区间内；

15、当实际可调物理相位区间的跨度为180°时，将归一化约束后的第三权重系数、第四权重系数和第二权重系数均设置为三分之一，目标超表面天线的相位合成分布中所有相位值被限定于实际可调物理相位区间内。

16、优选地，针对需要优先保证自由空间波辐射时，在约束下，所述第二权重系数被配置为大于所述第三权重系数和第四权重系数的数值；

17、针对需要优先保证表面波极化辐射时，在约束下，所述第三权重系数和第四权重系数被配置为大于所述第二权重系数的数值；

18、针对需要同时保证自由空间波辐射与表面波极化辐射时，在约束下，所述第三权重系数、第四权重系数和第二权重系数被配置为相等。

19、优选地，所述将目标超表面天线的相位合成分布中的各相位值分别映射至对应反射单元的物理结构参数上，包括：

20、根据预设的量化位数，将所述相位合成分布中的连续相位值离散化为有限个反射相位状态值；

21、根据各反射相位状态值，分别确定各反射单元的物理结构参数，以调整各反射单元的等效反射相位。

22、本发明实施例还提供一种采用如上所述的一种用于实现同频共调制的超表面天线相位合成方法制作的同频共调制超表面天线，包括介质基板、设置于介质基板底面的金属接地层以及设置于介质基板顶面的呈阵列排布的同频反射单元；

23、所述同频共调制超表面天线还设置有位于介质基板上的表面波激励端口以及围绕中心区域的外部空间区域的自由空间波激励端口。

24、优选地，当通过表面波激励端口馈电时，能量以表面波形式沿介质基板径向扩散，经过各同频反射单元按照所述相位合成分布中的各相位值调制后，向自由空间辐射；

25、当通过自由空间波激励端口馈电时，能量以空间平面波形式照射至同频共调制超表面天线表面，经过各同频反射单元调制后反射至预设方向；

26、当通过表面波激励端口与自由空间波激励端口同时馈电时，两种波束在空间上保持两种波束的辐射方向相互独立且互不干扰。

27、优选地，所述同频反射单元为矩形贴片结构，通过调节相邻贴片之间的间隙宽度来改变等效反射相位。

28、本发明实施例提供一种用于实现同频共调制的超表面天线相位合成方法，与现有技术相比，其有益效果如下：

29、本发明避开传统手段中对超出边界的相位值进行加减360°整数倍的折叠映射的操作，而是在实际可调物理相位区间的控制下，引入压缩约束后的第一权重系数和第一权重系数对表面波相位控制分布与自由空间波相位控制分布进行逐反射单元线性叠加，该过程通过对两种相位贡献度的主动线性压缩，使得叠加后产生的合成相位响应值在不经任何周期性角度折叠处理的前提下，全部自然落入实际可调物理相位区间内，此种不折叠仅压缩的操作，从源头上杜绝畸变的产生，确保表面波与自由空间波在孔径上的反射相位分布互不混叠以保证两种波束的高效辐射，最终稳定、独立地实现双波同频共调制的超表面天线的波束形成。

30、并且，本发明统一的设计框架，通过反射相位这一单一物理量同时控制两种波型，免去了表面阻抗法中需分别进行表面阻抗和反射阵设计的繁琐流程。