基于同时传输-反射连续预相位技术的可重构全表面单波束转向装置

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Reconfigurable Omni-Metasurface for Single-Beam Steering Based on Simultaneous Transmission–Reflection Continuous Pre-Phase Technique

本文提出一种具备全向特性的元表面，可在±z平面波入射下实现传输-反射的同步控制与连续预相位调制，通过旋转上下结构解耦相位并集成二极管实现1位电控，实验验证了12×12元阵列在0°-45°单束扫描中的低旁瓣特性。

　　

摘要：

本文提出了一种全向超表面，该超表面能够在平面波入射下，同时实现双向单波束扫描的传输-反射功能，并对侧瓣水平（SLL）进行连续的预相位控制，适用于±z方向。我们提出了一种连续预相位技术，用于在仅通过1位相位控制的超表面中抑制侧瓣水平（SLL）。与现有的基于算法优化的预相位分布方法不同，该方法显著降低了计算复杂度，并减少了由于超表面不连续性导致的耦合，同时保持了较低的SLL。随后，我们推导了两种不同类型的圆极化（CP）双向单元格的传输和反射琼斯矩阵。推导出的矩阵结果表明，通过适当旋转上下结构，可以解耦电相位和几何旋转相位，从而证明了所提出的双向超表面中连续预相位控制的有效性和实用性。此外，通过集成两个正-本征-负（p-i-n）二极管，该超表面能够实现对反射波和透射波的1位相位电控制。为了验证这一方法，我们设计、制造并测量了一个12×12元素阵列。实验结果证实，在±z方向的平面波照射下，反射波和透射波均能够成功实现从0°到45°的单波束扫描，并且侧瓣水平（SLL）始终保持较低。

引言

随着无线通信技术的快速发展，无线设备的性能要求不断提高，尤其是第六代（6G）及后续通信系统的出现。超表面或超材料作为一种人工工程材料，具有独特的电磁特性，使其成为未来无线通信网络的有希望的候选材料[1]、[2]、[3]、[4]。下一代无线系统的一个关键需求是将基于太空的平台（如立方体卫星和无人机（UAV）与地面站无缝连接[5]。这种集成需要能够独立管理传输和反射电磁（EM）波资源的平台。可重构的智能全向超表面（OMSs），能够同时实现独立传输和反射功能，已成为这些集成太空-地面通信网络的可行解决方案。