用于波束赋形的多功能可重构共形超表面

本发明属于天线，具体涉及一种用于波束赋形的多功能可重构共形超表面。

背景技术：

1、电磁超表面作为当前电磁波调控领域的重要研究前沿，凭借其亚波长尺度人工结构对电磁波相位、幅度、极化等关键参数的精确调控能力，突破了传统电磁材料在厚度、重量与设计自由度方面的限制。通过对单元结构进行定制化设计，超表面能够高效地实现波束赋形、散射重构、极化转换等功能，在5g/6g通信、智能无线网络、雷达散射控制等领域展现出广阔应用前景。现有大多数超表面研究以平面结构为主，其在理论建模、仿真计算及加工工艺方面均已较为成熟。但实际工程中，电磁器件常需部署于非平面的载体表面，如雷达罩、飞行器蒙皮、车辆外壳等。这类载体具有显著的空间曲率变化，对电磁结构的贴合能力及性能稳定性提出了更高要求。共形超表面通过将电磁结构与曲面载体紧密贴合，并结合曲率分布进行相位补偿设计，实现了电磁功能与物理结构的集成。

2、现有可重构有源共形超表面实现的功能包括吸波率可重构、频率可重构、散射特征可重构、波束可重构等。其中申请202510652129.9和202510652127.x分别提出了两种透反一体的可重构共形超表面，基于大功率阵列天线的应用场景，通过切换二极管工作状态分别实现电磁波透射与反射模式。申请202510835364.x则提出了一种频率可重构的频率选择共形超表面，通过改变二极管状态切换电磁波透射频段。此外在wuh,hanj,max,etal.conformallyreconfigurabletransmitarrayantennawithadjustablecurvatureusingasymmetricalstructureprintedonthinsubstrates[j].ieeeantennasandwirelesspropagationletters,2024,23(12):4039-4043.中wu等人提出了一种通过pin二极管实现1-bit相位调控的柱面透射阵天线，该设计通过切换柱面超表面的相位编码可以实现波束扫描功能。

3、目前共形超表面大多仅能在单一场景下实现电磁调控功能，难以满足新型作战系统在激励源位置或激励形式发生变化时对电磁性能动态调控的需求。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种用于波束赋形的多功能可重构共形超表面。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种用于波束赋形的多功能可重构共形超表面，利用pin二极管进行相位调制，实现对全空间入射电磁波的动态响应；将可重构共形超表面构建为12×16矩阵的柱面共形阵列，并基于空馈阵列理论计算不同空间馈源的最佳位置，实现多场景下的波束调控功能；根据rcm不同场景下的工作原理，将其激励源分为两类：在辐射模式下，激励源为位于rcm前/后侧空间的馈源天线；在散射模式下，激励源则表现为前侧空间入射的远场平面波。

4、本发明还提供一种用于波束赋形的多功能可重构共形超表面，包括：采用r-t结构设计，包含四层金属结构，分别印刷在两块介质板上，并通过粘合层进行压合；通过控制其上下两层的pin二极管的通断状态；针对前侧入射波，超表面具备透射和反射两种可切换模式；对于后侧空间来波，处于透射模式的超表面将后侧空间入射的x极化波转换为y极化波辐射到前侧空间中，同时实现1-bit相位调控；其中，超表面分别实现对前侧空间来波的1-bit透/反射相位调控，对后侧空间来波实现1-bit透射相位调控，满足前/后侧双向来波的电磁调控功能。

5、作为优选，在透射模式下：上层贴片的pin1、pin2截止；下层辐射臂上的pin3、pin4同向放置，通过控制直流电压幅度实现单独导通；此时上层贴片作为接收天线，接收前侧入射的y极化波，能量由金属化过孔传输至下层贴片，并转换为x极化波向后侧空间辐射；通过切换pin3和pin4的导通状态改变电流路径，可实现0/180°的1-bit透射相位调控。

6、作为优选，在反射模式下：下层贴片的pin3、pin4截止；上层贴片的pin1、pin2同向放置且单独导通；此时上层贴片作为极化转换单元，前侧入射的y极化波在经过微带延时线后，转换为x极化波反射回前侧空间；通过切换pin1和pin2的通断状态改变电流经过的延时线路径，实现0/180°的1-bit反射相位调。

7、作为优选，超表面采用多阶近似方法，利用等边棱柱面近似圆柱面结构；其中，共形柱面圆心一侧为后侧空间，柱面圆心外侧为前侧空间；将12个可重构超表面沿

x轴排布，组成1×12的一维线阵，将该一维线阵绕

x轴旋转排布，形成一个16面的棱柱面阵列；选用角锥喇叭天线作为馈源天线。

8、作为优选，针对曲面共形阵列的电磁调控计算，利用阵元在柱面上的几何坐标及法线夹角产生的空间相位差作为补偿基准，结合1-bit（0/π）相位编码矩阵，实现对远场散射波束的指向控制。

9、作为优选，共形阵面在以下三种状态间的自由切换：

10、第一状态：后侧馈源激发下的透射波束扫描模式；

11、第二状态：前侧馈源激发下的透射/反射一体化波束扫描模式；

12、第三状态：前侧平面波激励下的散射波束赋形模式。

13、作为优选，介质板为f4b265，相对介电常数

ε

r为2.65，损耗角正切tan

δ=0.001，厚度

h1为2.5mm；粘合层为rogersro4450，相对介电常数

ε

r为3.7，损耗角正切tan

δ=0.004，厚度

h2为0.2mm。

14、作为优选，相邻线阵间的旋转夹角

φ=1.5°，阵面对应的共形圆柱圆心角φ=24°，等效圆柱半径

r=764mm，柱面高度

h=240mm；选用波导型号为wr159的角锥喇叭天线作为馈源天线，其工作带宽为4.64-7.05ghz，矩形口径尺寸为56×67mm2。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、本发明所提出的rcm在柱面上实现了透射、反射、透反一体及散射控制四种工作模式的多功能集成。对于辐射性能，本发明所设计的rcm在前/后侧馈源激励模式下均能实现宽带、高增益、高口径效率的高性能辐射波束调控，且最大波束扫描角度达到±60°。此外，不同于传统平面超表面依赖高比特相位量化实现散射波束调控，本发明充分利用柱面结构自身的几何曲率所引入的空间相位梯度，在平面波入射条件下，仅通过0/

π两种离散相位状态的空间排布，即可实现定向散射波束赋形，有效提升了共形超表面的实用性。