一种基于机械旋转的可重构超表面电磁开关设计

　　摘 要: 为了提高微波无线能量传输的效率以及灵活性,提出并设计实现了一款基于机械控制的可重构超表面电磁开关。 该设计基于 Pancharatnam-Berry(P-B)相位原理,是一种可机械旋转、具有波束控制能力的反射型超表面,可以直接应用于无线传输系统中。 仿真与优化设计表明,对于垂直入射的右旋圆极化平面波,超表面能够实现同极化聚焦或散射两种可重构功能。 将该超表面放在无线传输系统中的发射端可以形成反射面天线,从而对微波无线功率传输系统实现电磁开关的功能。 实验结果表明,在设计的 5. 8 GHz 附近,发射天线位于超表面焦点处时,通过调节超表面实现聚焦功能,可以使天线增益提高 2. 7 dBi;在无线传输系统中,可以通过超表面的引入实现电磁开关的功能。

　　夏雨;王毅;曹群生;， 微波学报 发表时间：2021-10-19

　　关键词: 机械超表面,波束控制,无线能量传输,反射面天线,电磁开关

　　引 言

　　超材料是由人工材料在亚波长尺寸上构成,可以通过设计实现任意的介电常数和磁导率,能够有效提升对电磁波操控的自由度。 因此,基于超材料的光学涡旋器[1] 、反射面天线[2] 、RCS 缩减[3] 和波束调控[4]等技术已得到广泛的研究与应用。

　　超表面是超材料的一种近似二维的亚类,一般由远小于波长的介质与刻蚀在表面上的金属结构构成,用于实现对入射电磁波的控制。 由 2011 年哈佛大学 Yu 等[5]从光学的费马定理出发推导出来的广义斯涅耳定律可知,金属几何结构的存在引入了相位突变,从而改变了电磁波传播过程中的相位,以此来控制电磁波的传播。 但是无源超表面无法满足当今实际应用中的自适应/ 多功能的要求。

　　近年来,研究人员更多地关注于可动态控制电磁波属性的可调谐可重构超表面。 在实现这一目标的方法中,主要研究大都集中在使用有源器件的电控[6] 上:如使用变容二极管的可调谐吸波器[7] 、使用 PIN 二极管的 360°反射相位调节器[6] 、振幅和相位的分开单独控制设计[8]以及使用变容二极管的极化控制等。然而,电控有源器件的控制需要设计复杂的馈电网络以及考虑馈线之间的耦合,尤其是对于相位控制的设计,要实现波束的控制一般需要对超表面每个单元进行单独的控制,这就需要引入复杂的馈电网络以及控制系统,且相位只有 0/ 1 两种状态,很难精确的控制能量聚集的焦点位置,大大增加了设计时的复杂度。在此基础上,一些研究人员将研究重点转移到了多种其他控制方式上,例如在文献[9]中,作者通过机械控制改变上下结构中间空气层的高度来控制波束的方向。 在文献[10]中,作者设计了层间通道,利用液态金属控制工作频率。 虽然响应时间远远不如电控制快,但是机械控制抛去了复杂的馈电网络设置,为超表面多功能的实现提供了更加可靠的控制方式。 尤其是随着当前微机电技术的快速发展,这一技术显得更加具有应用潜力。

　　本文 基 于 Pancharatnam-Berry ( P-B ) 相 位 原理[11] ,提出一种用耶路撒冷十字结构单元组成的圆形可重构的新型超表面。 该设计工作在 5. 8 GHz, 对垂直入射的圆极化波可以实现同极化的反射聚焦效果。 根据光路可逆原理,在焦点处放置一个圆极化天线作为馈源,通过超表面能够反射出平面波,从而可以将其构成反射面天线,提高天线的增益,作为无线传输系统的发射端。 通过机械控制的方式可以旋转超表面的部分同心环,从而控制超表面的表面相位,重构其功能为波束倾斜。 可以将发射端辐射出的近平面波变为向两边辐射,从而改变正前方接收天线收到的电磁波能量,使整个无线传输系统从开状态变为关状态,实现超表面对无线输能系统的开关控制。

　　1 超表面设计

　　1. 1 单元相位设计

　　本文依据 P-B 相位原理设计超表面的单元结构。 当右旋圆极化平面波沿-z 方向入射到旋转 θ 角的单元表面时(假设在一个标准 xyz 坐标系里), 如图 1 所示,反射波可以表示为两部分: 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 分别代表单元 x 和 y 方向的反射相位, 可以看出,当 φx -φy =π 时,反射波中只剩下右旋分量。 因此,当超表面单元在 x 极化波和 y 极化波入射情况下的相位差满足 180°时,即可实现同极化反射(P-B 相位原理)。

　　由式(1)还可以看出,当单元旋转了角度 θ 后, 反射的右旋圆极化波与入射波相比相位多了 2θ。因此,反射波的相位 α 是单元旋转角度 θ 的两倍,即 α= 2θ。

　　采用经典的耶路撒冷十字结构作为超表面的单元,周期间隔设置为 p,十字形带状线宽度 w,如图 2(a)所示。 介质基板采用厚度 h,介电常数 2. 65, 正切损耗角为 0. 01 的 F4B 材料,背面为金属。 通过仿真软件对单元进行仿真,由于在 x 和 y 极化波入射下需要产生较大的相位差,因此需要调节 Lx 和 Ly 的长度实现。 在设计时,首先将 Ly 的数值固定在 8. 5 mm,再调节 Lx 的长度。 通过优化,最终得到在 Lx = 5. 2 mm、Ly = 8. 5 mm 时,在 5. 8 GHz 处 x 极化波与 y 极化入射的反射相位差约为 180°,符合预设的相位差目标,如图 2(b)所示。

　　1. 2 整体功能设计

　　前述分析表明通过对单元进行旋转可以有效控制单元反射相位,因此采用如图 3 所示的圆形阵列设置,即将超表面设计为一种多环嵌套的结构。 每一层环的宽度为 R1 ,环内相邻单元之间的距离设置为 R2 ,其中 R1 = R2 = p。 进一步沿半径 25 mm 的大圆将超表面切割为两部分,便于通过机械旋转的方式来控制超表面上的相位分布。 各参数数值在表 1 中给出。

　　图 3 所示的超表面中,每一环上的单元距离中心处的距离相同,且当每一环旋转一定角度时,圆环上的单元旋转角度等于圆环的旋转角。 所以可以通过旋转每一环的角度来控制环上单元的相位分布。根据相位补偿公式: α(x,y) = 2π λ0 ( x 2 + y 2 + f 2 - f) + α0 (3) 式中,α 为每一圈上需要的相位分布,λ0 为波长,f 为超表面的焦点位置,x 和 y 为每个单元距离中心单元的相对坐标,α0 为中心单元的相位。 根据设计规则,同一环上的单元距离中心单元的距离相等,即可以将 x 2+y 2 替换为 r 2 ,r 为超表面圆环的半径。

　　根据前述设计原理,设定将垂直入射的右旋圆极化电磁波反射聚焦在超表面前方 30 mm 处, 根据公式(3) 可以得到超表面上的相位分布图如图 4( a) 。 在仿真软件 CST 中对该模型进行仿真, 可以得到如图 4( b) 所示的能量分布图。 从图中可以看出,能量被集中在超表面上方 25 mm 处,与预测相符。

　　2 具有开关特性的WPT 系统设计

　　为了更加直观地验证超表面的电磁波调控功能, 这里以无线能量传输(WPT)系统为例,设计了一个可重构超表面在该系统中的应用范例。 在系统的发射端,将发射天线放在超表面焦点处,通过超表面的反射功能辐射出近似平面波,可以有效提高发射天线的增益,实现系统的正常工作。 另一方面,通过旋转改变超表面的相位状态可将电磁波反射到其他方向, 使发射端与接收端断开,从而实现系统关闭的功能。

　　在接收端,接收天线放在超表面焦点处,将一些没有接收到的能量聚焦到天线处,再采用整流电路连接圆极化天线。 将接收天线接收的电磁波能量通过整流转变为直流信号提供给负载端。 图 5 所示为该系统的原理框图。 在实际测试中,为了更直观地展现功能特性,设计了负载端并联的灯泡来显示系统的开关状态。

　　针对发射端,采用软件进行全波仿真,将一个右旋圆极化天线放在超表面的焦点处,分析经超表面反射后电磁波的近场分布和远场增益。 图 6 给出了聚焦和非聚焦两种状态下电磁波的近场分布。

　　从图中可以看出,两种状态下的超表面对天线的辐射有着不同的反射效果:在聚焦状态下,根据电磁波传播的可逆性,电磁波经过超表面反射后近似平面波向正前方反射,使大部分电磁波的能量向接收端发射;在非聚焦状态下,电磁波经过超表面反射后向两边传播,使接收端的天线接收不到发射端的电磁波。 即采用该超表面,可以实现 WPT 系统的开关作用。

　　3 有效性测试

　　基于前述分析与设计,对超表面和 WPT 系统进行了加工与功能验证。 首先为了证明超表面对天线性能的提升作用,验证超表面功能,对天线-超表面系统进行了加工测试。 加工的超表面实物如图 7 所示。进一步对系统性能进行测试,结果表明,在 5. 8 GHz 处,天线加了超表面后在超表面聚焦状态下(状态 1)增益从 8. 5 dBi 增加至 11. 2 dBi,而在非聚焦状态下(状态 2) 由于天线辐射的电磁波被发散,因而增益大大降低,如图 8 所示。 天线与超表面形成的反射面天线使原天线增益提高,并且可以增加一定的传输距离,在实际测试中可以增加大约 0. 8 m 的传输距离,在一定程度上可以提高 WPT 的传输效率,更主要的是可以与非聚焦状态形成一个明显的增益差,从而达到控制传输的效果。

　　根据上节所设计的系统,搭建无线传输系统并加载制作的超表面实物(图 7)进行测试。 由于加工和测试条件受限,这里仅将超表面应用在系统的发射端。整个系统如图 9 所示。 在接收端负载处,并联一个小灯泡,由于矢量网络分析仪的功率有限,在接收端加了一个低噪声功率放大器,使输入整流板块的功率达到点亮小灯泡的功率,再利用机械旋转的超表面控制小灯泡的亮灭。

　　测试中,采用超表面旋转的方式,通过负载端引入并联灯泡来实现对系统功能的验证。 结果如图 10 所示,超表面的两种状态分别对应小灯泡的亮灭,即实现了预设的功能。

　　通过测量整流电路端在超表面开关状态下的电压值,可以定量分析超表面的功能效果。 当超表面与发射天线处于开状态时,整流电路端可以得到 2 V 左右的电压,小灯泡被点亮;当处于关状态时,整流电路端的电压只有 0. 2 V 左右,小灯泡灭。 开关电压比为: τ = von voff = 2V 0. 2V = 10 (4)

　　这说明超表面对系统有很好的控制效果,但由于本文的设计没有重点关注反射面天线的增益(增益仅提高了 2. 7 dBi),因此相对于裸天线来说,无线功率传输效率虽然有所提高,但是提高并不多,后续将会针对该指标进行进一步的研究。

　　4 结论

　　本文设计了一款工作在 5. 8 GHz 的机械控制可重构反射型超表面,可以实现对电磁波的聚焦或异常反射。 为了验证超表面的功能以及提供一个超表面的应用场景,将该款超表面应用于无线微波传输系统中,通过对超表面的相位进行调控,实现了对无线传输系统的开关控制功能。 通过灯泡模拟系统进行测试,实验表明测试结果与仿真结果相吻合,即能够实现无线传输系统的电磁开关功能。 当前无线功率传输一直受限于效率问题,本文所提出的超表面与无线传输相结合,为无线功率传输提供了一个新的发展思路,即通过引入超表面对电磁波波束进行调控,可以实现在系统传输效率有限的情况下提高发射端波束强度以及连接多个接收端,提高发射源的利用率,从而提升整个系统的效率,同时在发射源控制的基础上增加了一个新的自由度,因此具有较大的研究和应用潜力。