一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统

本发明涉及可编程电磁超表面与电磁散射调控，更具体的说是涉及一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统。

背景技术：

1、可编程电磁超表面由在二维平面内周期或非周期排布的亚波长人工电磁单元组成，通过在元表面单元中设置pin二极管等可控器件，并利用数字控制电路改变可控器件的工作状态，能够对反射电磁波的幅度、相位及空间传播方向进行动态调控。采用一比特编码时，每一元表面单元具有两个离散反射相位状态，能够降低元表面单元和控制电路的复杂度。

2、现有可编程超表面通常采用单一极化通道，或者在两个正交极化通道中实现相同或相近的波束调控功能。当需要同时执行波束偏转和目标散射特征模拟时，分别设置两个反射孔径会增加系统占用空间和控制连接；直接在同一孔径中叠加两类功能，又容易受到交叉极化响应、偏置路径射频泄漏以及一个通道的开关状态对另一通道反射响应的扰动。

3、此外，波束偏转所需相位分布可以根据馈源位置和目标方向进行计算，而目标散射特征模拟需要使可编程超表面的角散射轮廓接近目标对象在规定照射条件下的角散射轮廓。后者通常包含多个角向特征，在一比特离散相位约束下难以通过单一解析相位梯度直接获得可加载的二维相位码。因此，如何提供一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，通过沿两正交轴向设置的pin二极管组和独立偏置网络，使两个正交线极化通道能够在同一反射孔径上分别加载二维一比特相位码，并分别执行波束偏转和目标散射特征模拟。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，包括反射孔径和控制电路，

4、反射孔径包括m×n个独立寻址的一比特元表面单元，每一元表面单元包含沿第一轴向布置的第一pin二极管组和沿第二轴向布置的第二pin二极管组，且第一轴向与第二轴向相互正交；

5、控制电路包括第一线极化通道和第二线极化通道，两路通道具有独立的偏置输出，并分别与每一元表面单元的第一pin二极管组和第二pin二极管组相连；其中，

6、第一线极化通道用于加载第一二维一比特相位码，实现第一线极化反射分量向预设目标波束方向偏转，第二线极化通道用于加载第二二维一比特相位码，将第二线极化反射分量的归一化角散射轮廓与预设目标归一化角散射轮廓相匹配，实现目标散射特征模拟。

7、可选的，元表面单元自上而下依次包括：图案化顶层金属层、第一f4b介质基板、金属地板、ro4450f介质基板、第一偏置层、第二f4b介质基板、第二偏置层和第三f4b介质基板，其中，图案化顶层金属层包括中心方形贴片，以及围绕中心方形贴片四边对称布置的四个矩形贴片，每一矩形贴片通过一个pin二极管与中心方形贴片连接。

8、可选的，各介质基板及导电层在与中心方形贴片的上、下、左、右四个对应位置设置相互对准的通孔，第一偏置层和第二偏置层通过通孔分别与对应轴向的第一pin二极管组和第二pin二极管组相连。

9、可选的，第一偏置层和第二偏置层分别设置沿第一轴向和第二轴向延伸的独立偏置路径，两路独立偏置路径均设置扇形微带结构，同一轴向的pin二极管共用一路偏置电压，并分别在导通状态与截止状态之间切换。

10、可选的，获取第一二维一比特相位码包括：

11、令第一线极化通道采用馈源喇叭照射反射孔径呈现球面相位分布的入射波，进而计算获得元表面单元连续补偿相位，对应表达式为：

12、，

13、其中，为第m行第n列元表面单元的连续补偿相位， k=2π/λ，λ为工作波长，和为第m行第n列元表面单元相对于反射孔径中心的笛卡尔坐标，为馈源孔面至反射孔径的垂直距离，和分别为目标波束方向的极角和方位角；

14、将元表面单元连续补偿相位映射为一比特反射相位，形成第一二维一比特相位码。

15、可选的，获取第二二维一比特相位码包括：

16、第二线极化通道以规定照射条件下目标对象的归一化角散射轮廓作为目标归一化角散射轮廓；

17、以连续实值相位矩阵构成初始种群，在连续相位域执行差分进化的变异和交叉，获得候选相位矩阵，并离散为一比特相位码；

18、通过远场前向叠加模型计算一比特相位码对应的角散射轮廓并进行归一化处理，计算与目标归一化角散射轮廓之间的均方误差；

19、以均方误差作为适应度，对初始种群执行选择和迭代，输出第二二维一比特相位码。

20、可选的，候选相位矩阵离散为一比特相位码包括：

21、对候选连续相位与各离散反射相位状态分别计算周期相位距离，根据周期相位距离确定状态得分；

22、通过softmax函数对状态得分进行归一化，并通过argmax运算选取对应的离散反射相位状态，形成一比特相位码。

23、可选的，形成角散射轮廓包括：

24、将每一元表面单元视为单元辐射源，任一元表面在极角θ和方位角φ方向的复场表示为：

25、；

26、其中， 表示第m行第n列元表面单元处的入射电磁场，m为反射孔径行数，n为反射孔径列数，为单元方向图，和分别表示该元表面单元的状态相关反射幅度和反射相位，表示晶格周期；

27、将全部元表面单元的复场进行相干叠加，使离散码矩阵转换为角散射轮廓。

28、可选的，还包括令第一线极化通道的第一二维一比特相位码和第二线极化通道的第二二维一比特相位码同时加载，在同一反射孔径和同一加载时刻分别形成波束偏转响应和目标散射特征模拟响应。

29、可选的，令同时加载的第一二维一比特相位码为cx，第二二维一比特相位码为cy，在无源线性反射条件下，入射电场和反射电场满足：

30、；

31、其中，和分别为两个正交线极化通道的同极化反射响应，和为交叉极化反射响应。

32、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，具有以下有益效果：

33、本发明利用两正交线极化通道作为相互独立的任务通道，在同一反射孔径和同一控制平台上分别实现波束偏转和目标散射特征模拟，能够减少反射孔径数量及控制连接；通过连续相位计算与一比特离散化生成波束偏转相位码，通过差分进化将目标角散射轮廓转换为可直接加载的一比特相位码，具有结构紧凑、控制独立和适于重构的特点。

1.一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，包括反射孔径和控制电路，

2.根据权利要求1所述的一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，形成角散射轮廓包括：

9.根据权利要求1所述的一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，

10.根据权利要求9所述的一种集成波束偏转与目标散射特征模拟的可编程超表面系统，其特征在于，