一種基于機(jī)械旋轉(zhuǎn)的可重構(gòu)超表面電磁開關(guān)設(shè)計

　　摘 要: 為了提高微波無線能量傳輸?shù)男室约办`活性,提出并設(shè)計實現(xiàn)了一款基于機(jī)械控制的可重構(gòu)超表面電磁開關(guān)。 該設(shè)計基于 Pancharatnam-Berry(P-B)相位原理,是一種可機(jī)械旋轉(zhuǎn)、具有波束控制能力的反射型超表面,可以直接應(yīng)用于無線傳輸系統(tǒng)中。 仿真與優(yōu)化設(shè)計表明,對于垂直入射的右旋圓極化平面波,超表面能夠?qū)崿F(xiàn)同極化聚焦或散射兩種可重構(gòu)功能。 將該超表面放在無線傳輸系統(tǒng)中的發(fā)射端可以形成反射面天線,從而對微波無線功率傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)電磁開關(guān)的功能。 實驗結(jié)果表明,在設(shè)計的 5. 8 GHz 附近,發(fā)射天線位于超表面焦點處時,通過調(diào)節(jié)超表面實現(xiàn)聚焦功能,可以使天線增益提高 2. 7 dBi;在無線傳輸系統(tǒng)中,可以通過超表面的引入實現(xiàn)電磁開關(guān)的功能。

　　夏雨;王毅;曹群生;， 微波學(xué)報 發(fā)表時間：2021-10-19

　　關(guān)鍵詞: 機(jī)械超表面,波束控制,無線能量傳輸,反射面天線,電磁開關(guān)

　　引 言

　　超材料是由人工材料在亞波長尺寸上構(gòu)成,可以通過設(shè)計實現(xiàn)任意的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,能夠有效提升對電磁波操控的自由度。 因此,基于超材料的光學(xué)渦旋器[1] 、反射面天線[2] 、RCS 縮減[3] 和波束調(diào)控[4]等技術(shù)已得到廣泛的研究與應(yīng)用。

　　超表面是超材料的一種近似二維的亞類,一般由遠(yuǎn)小于波長的介質(zhì)與刻蝕在表面上的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成,用于實現(xiàn)對入射電磁波的控制。 由 2011 年哈佛大學(xué) Yu 等[5]從光學(xué)的費馬定理出發(fā)推導(dǎo)出來的廣義斯涅耳定律可知,金屬幾何結(jié)構(gòu)的存在引入了相位突變,從而改變了電磁波傳播過程中的相位,以此來控制電磁波的傳播。 但是無源超表面無法滿足當(dāng)今實際應(yīng)用中的自適應(yīng)/ 多功能的要求。

　　近年來,研究人員更多地關(guān)注于可動態(tài)控制電磁波屬性的可調(diào)諧可重構(gòu)超表面。 在實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法中,主要研究大都集中在使用有源器件的電控[6] 上:如使用變?nèi)荻O管的可調(diào)諧吸波器[7] 、使用 PIN 二極管的 360°反射相位調(diào)節(jié)器[6] 、振幅和相位的分開單獨控制設(shè)計[8]以及使用變?nèi)荻O管的極化控制等。然而,電控有源器件的控制需要設(shè)計復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)以及考慮饋線之間的耦合,尤其是對于相位控制的設(shè)計,要實現(xiàn)波束的控制一般需要對超表面每個單元進(jìn)行單獨的控制,這就需要引入復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)以及控制系統(tǒng),且相位只有 0/ 1 兩種狀態(tài),很難精確的控制能量聚集的焦點位置,大大增加了設(shè)計時的復(fù)雜度。在此基礎(chǔ)上,一些研究人員將研究重點轉(zhuǎn)移到了多種其他控制方式上,例如在文獻(xiàn)[9]中,作者通過機(jī)械控制改變上下結(jié)構(gòu)中間空氣層的高度來控制波束的方向。 在文獻(xiàn)[10]中,作者設(shè)計了層間通道,利用液態(tài)金屬控制工作頻率。 雖然響應(yīng)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如電控制快,但是機(jī)械控制拋去了復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置,為超表面多功能的實現(xiàn)提供了更加可靠的控制方式。 尤其是隨著當(dāng)前微機(jī)電技術(shù)的快速發(fā)展,這一技術(shù)顯得更加具有應(yīng)用潛力。

　　本文 基 于 Pancharatnam-Berry ( P-B ) 相 位 原理[11] ,提出一種用耶路撒冷十字結(jié)構(gòu)單元組成的圓形可重構(gòu)的新型超表面。 該設(shè)計工作在 5. 8 GHz, 對垂直入射的圓極化波可以實現(xiàn)同極化的反射聚焦效果。 根據(jù)光路可逆原理,在焦點處放置一個圓極化天線作為饋源,通過超表面能夠反射出平面波,從而可以將其構(gòu)成反射面天線,提高天線的增益,作為無線傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端。 通過機(jī)械控制的方式可以旋轉(zhuǎn)超表面的部分同心環(huán),從而控制超表面的表面相位,重構(gòu)其功能為波束傾斜。 可以將發(fā)射端輻射出的近平面波變?yōu)橄騼蛇呡椛?從而改變正前方接收天線收到的電磁波能量,使整個無線傳輸系統(tǒng)從開狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)狀態(tài),實現(xiàn)超表面對無線輸能系統(tǒng)的開關(guān)控制。

　　1 超表面設(shè)計

　　1. 1 單元相位設(shè)計

　　本文依據(jù) P-B 相位原理設(shè)計超表面的單元結(jié)構(gòu)。 當(dāng)右旋圓極化平面波沿-z 方向入射到旋轉(zhuǎn) θ 角的單元表面時(假設(shè)在一個標(biāo)準(zhǔn) xyz 坐標(biāo)系里), 如圖 1 所示,反射波可以表示為兩部分: Er(RH) = 1 2 (x - jy)(e jφx - e jφy )e -jkz·e j2θ (1) Er(LH) = 1 2 (x + jy)(e jφx + e jφy )e -jkz (2)

　　φx 和 φy 分別代表單元 x 和 y 方向的反射相位, 可以看出,當(dāng) φx -φy =π 時,反射波中只剩下右旋分量。 因此,當(dāng)超表面單元在 x 極化波和 y 極化波入射情況下的相位差滿足 180°時,即可實現(xiàn)同極化反射(P-B 相位原理)。

　　由式(1)還可以看出,當(dāng)單元旋轉(zhuǎn)了角度 θ 后, 反射的右旋圓極化波與入射波相比相位多了 2θ。因此,反射波的相位 α 是單元旋轉(zhuǎn)角度 θ 的兩倍,即 α= 2θ。

　　采用經(jīng)典的耶路撒冷十字結(jié)構(gòu)作為超表面的單元,周期間隔設(shè)置為 p,十字形帶狀線寬度 w,如圖 2(a)所示。 介質(zhì)基板采用厚度 h,介電常數(shù) 2. 65, 正切損耗角為 0. 01 的 F4B 材料,背面為金屬。 通過仿真軟件對單元進(jìn)行仿真,由于在 x 和 y 極化波入射下需要產(chǎn)生較大的相位差,因此需要調(diào)節(jié) Lx 和 Ly 的長度實現(xiàn)。 在設(shè)計時,首先將 Ly 的數(shù)值固定在 8. 5 mm,再調(diào)節(jié) Lx 的長度。 通過優(yōu)化,最終得到在 Lx = 5. 2 mm、Ly = 8. 5 mm 時,在 5. 8 GHz 處 x 極化波與 y 極化入射的反射相位差約為 180°,符合預(yù)設(shè)的相位差目標(biāo),如圖 2(b)所示。

　　1. 2 整體功能設(shè)計

　　前述分析表明通過對單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)可以有效控制單元反射相位,因此采用如圖 3 所示的圓形陣列設(shè)置,即將超表面設(shè)計為一種多環(huán)嵌套的結(jié)構(gòu)。 每一層環(huán)的寬度為 R1 ,環(huán)內(nèi)相鄰單元之間的距離設(shè)置為 R2 ,其中 R1 = R2 = p。 進(jìn)一步沿半徑 25 mm 的大圓將超表面切割為兩部分,便于通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方式來控制超表面上的相位分布。 各參數(shù)數(shù)值在表 1 中給出。

　　圖 3 所示的超表面中,每一環(huán)上的單元距離中心處的距離相同,且當(dāng)每一環(huán)旋轉(zhuǎn)一定角度時,圓環(huán)上的單元旋轉(zhuǎn)角度等于圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)角。 所以可以通過旋轉(zhuǎn)每一環(huán)的角度來控制環(huán)上單元的相位分布。根據(jù)相位補償公式: α(x,y) = 2π λ0 ( x 2 + y 2 + f 2 - f) + α0 (3) 式中,α 為每一圈上需要的相位分布,λ0 為波長,f 為超表面的焦點位置,x 和 y 為每個單元距離中心單元的相對坐標(biāo),α0 為中心單元的相位。 根據(jù)設(shè)計規(guī)則,同一環(huán)上的單元距離中心單元的距離相等,即可以將 x 2+y 2 替換為 r 2 ,r 為超表面圓環(huán)的半徑。

　　根據(jù)前述設(shè)計原理,設(shè)定將垂直入射的右旋圓極化電磁波反射聚焦在超表面前方 30 mm 處, 根據(jù)公式(3) 可以得到超表面上的相位分布圖如圖 4( a) 。 在仿真軟件 CST 中對該模型進(jìn)行仿真, 可以得到如圖 4( b) 所示的能量分布圖。 從圖中可以看出,能量被集中在超表面上方 25 mm 處,與預(yù)測相符。

　　2 具有開關(guān)特性的WPT 系統(tǒng)設(shè)計

　　為了更加直觀地驗證超表面的電磁波調(diào)控功能, 這里以無線能量傳輸(WPT)系統(tǒng)為例,設(shè)計了一個可重構(gòu)超表面在該系統(tǒng)中的應(yīng)用范例。 在系統(tǒng)的發(fā)射端,將發(fā)射天線放在超表面焦點處,通過超表面的反射功能輻射出近似平面波,可以有效提高發(fā)射天線的增益,實現(xiàn)系統(tǒng)的正常工作。 另一方面,通過旋轉(zhuǎn)改變超表面的相位狀態(tài)可將電磁波反射到其他方向, 使發(fā)射端與接收端斷開,從而實現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)閉的功能。

　　在接收端,接收天線放在超表面焦點處,將一些沒有接收到的能量聚焦到天線處,再采用整流電路連接圓極化天線。 將接收天線接收的電磁波能量通過整流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘柼峁┙o負(fù)載端。 圖 5 所示為該系統(tǒng)的原理框圖。 在實際測試中,為了更直觀地展現(xiàn)功能特性,設(shè)計了負(fù)載端并聯(lián)的燈泡來顯示系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)。

　　針對發(fā)射端,采用軟件進(jìn)行全波仿真,將一個右旋圓極化天線放在超表面的焦點處,分析經(jīng)超表面反射后電磁波的近場分布和遠(yuǎn)場增益。 圖 6 給出了聚焦和非聚焦兩種狀態(tài)下電磁波的近場分布。

　　從圖中可以看出,兩種狀態(tài)下的超表面對天線的輻射有著不同的反射效果:在聚焦?fàn)顟B(tài)下,根據(jù)電磁波傳播的可逆性,電磁波經(jīng)過超表面反射后近似平面波向正前方反射,使大部分電磁波的能量向接收端發(fā)射;在非聚焦?fàn)顟B(tài)下,電磁波經(jīng)過超表面反射后向兩邊傳播,使接收端的天線接收不到發(fā)射端的電磁波。 即采用該超表面,可以實現(xiàn) WPT 系統(tǒng)的開關(guān)作用。

　　3 有效性測試

　　基于前述分析與設(shè)計,對超表面和 WPT 系統(tǒng)進(jìn)行了加工與功能驗證。 首先為了證明超表面對天線性能的提升作用,驗證超表面功能,對天線-超表面系統(tǒng)進(jìn)行了加工測試。 加工的超表面實物如圖 7 所示。進(jìn)一步對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試,結(jié)果表明,在 5. 8 GHz 處,天線加了超表面后在超表面聚焦?fàn)顟B(tài)下(狀態(tài) 1)增益從 8. 5 dBi 增加至 11. 2 dBi,而在非聚焦?fàn)顟B(tài)下(狀態(tài) 2) 由于天線輻射的電磁波被發(fā)散,因而增益大大降低,如圖 8 所示。 天線與超表面形成的反射面天線使原天線增益提高,并且可以增加一定的傳輸距離,在實際測試中可以增加大約 0. 8 m 的傳輸距離,在一定程度上可以提高 WPT 的傳輸效率,更主要的是可以與非聚焦?fàn)顟B(tài)形成一個明顯的增益差,從而達(dá)到控制傳輸?shù)男Ч?/p>

　　根據(jù)上節(jié)所設(shè)計的系統(tǒng),搭建無線傳輸系統(tǒng)并加載制作的超表面實物(圖 7)進(jìn)行測試。 由于加工和測試條件受限,這里僅將超表面應(yīng)用在系統(tǒng)的發(fā)射端。整個系統(tǒng)如圖 9 所示。 在接收端負(fù)載處,并聯(lián)一個小燈泡,由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功率有限,在接收端加了一個低噪聲功率放大器,使輸入整流板塊的功率達(dá)到點亮小燈泡的功率,再利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的超表面控制小燈泡的亮滅。

　　測試中,采用超表面旋轉(zhuǎn)的方式,通過負(fù)載端引入并聯(lián)燈泡來實現(xiàn)對系統(tǒng)功能的驗證。 結(jié)果如圖 10 所示,超表面的兩種狀態(tài)分別對應(yīng)小燈泡的亮滅,即實現(xiàn)了預(yù)設(shè)的功能。

　　通過測量整流電路端在超表面開關(guān)狀態(tài)下的電壓值,可以定量分析超表面的功能效果。 當(dāng)超表面與發(fā)射天線處于開狀態(tài)時,整流電路端可以得到 2 V 左右的電壓,小燈泡被點亮;當(dāng)處于關(guān)狀態(tài)時,整流電路端的電壓只有 0. 2 V 左右,小燈泡滅。 開關(guān)電壓比為: τ = von voff = 2V 0. 2V = 10 (4)

　　這說明超表面對系統(tǒng)有很好的控制效果,但由于本文的設(shè)計沒有重點關(guān)注反射面天線的增益(增益僅提高了 2. 7 dBi),因此相對于裸天線來說,無線功率傳輸效率雖然有所提高,但是提高并不多,后續(xù)將會針對該指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一款工作在 5. 8 GHz 的機(jī)械控制可重構(gòu)反射型超表面,可以實現(xiàn)對電磁波的聚焦或異常反射。 為了驗證超表面的功能以及提供一個超表面的應(yīng)用場景,將該款超表面應(yīng)用于無線微波傳輸系統(tǒng)中,通過對超表面的相位進(jìn)行調(diào)控,實現(xiàn)了對無線傳輸系統(tǒng)的開關(guān)控制功能。 通過燈泡模擬系統(tǒng)進(jìn)行測試,實驗表明測試結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合,即能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸系統(tǒng)的電磁開關(guān)功能。 當(dāng)前無線功率傳輸一直受限于效率問題,本文所提出的超表面與無線傳輸相結(jié)合,為無線功率傳輸提供了一個新的發(fā)展思路,即通過引入超表面對電磁波波束進(jìn)行調(diào)控,可以實現(xiàn)在系統(tǒng)傳輸效率有限的情況下提高發(fā)射端波束強度以及連接多個接收端,提高發(fā)射源的利用率,從而提升整個系統(tǒng)的效率,同時在發(fā)射源控制的基礎(chǔ)上增加了一個新的自由度,因此具有較大的研究和應(yīng)用潛力。