本發(fā)明屬于無線通信波束賦形，具體涉及一種基于亞波長周期性電磁表面的純幅度調(diào)制波束賦形方法，可用于實現(xiàn)超表面天線的靈活波束賦形。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展，對電磁波束的精確調(diào)控需求日益增長?，F(xiàn)有技術(shù)中的波束賦形技術(shù)通常采用陣列天線，通過復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)、賦形算法和多饋源來實現(xiàn)波束控制，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高等問題。

2、超表面天線作為一種新型天線結(jié)構(gòu)，通過亞波長尺度的單元調(diào)控可以實現(xiàn)電磁波的靈活操控，具有剖面低、重量輕、易集成的優(yōu)勢。在亞波長周期性結(jié)構(gòu)的電磁調(diào)控中，傳統(tǒng)的波束賦形方法難以直接應(yīng)用。近年來相關(guān)研究人員針對超表面天線波束賦形提出了若干解決方案?，F(xiàn)有技術(shù)“flat?optics?for?leaky-waves?on?modulated?metasurfaces：adiabatic?floquet-wave?analysis，ieee?trans.antennas?propagat.，vol.64，no.9，pp.3896-3906，sep.2016”針對一類與表面波相互作用生成輻射波束的超表面天線，通過連續(xù)非均勻各向異性邊界條件建立定解問題，基于電流的絕熱floquet波展開公開了一種適用于漏波分析的平面光學(xué)理論，由邊界條件匹配得到的局部色散方程給出了輻射場的解析解，并提供了泄漏參數(shù)的閉式表達(dá)式。現(xiàn)有技術(shù)“synthesis?of?modulated-metasurfaceantennas?with?amplitude,phase,and?polarization?control,ieee?trans.antennaspropagat.，vol.64，no.9，pp.3907-3919，sep.2016”相應(yīng)地公開了一套系統(tǒng)化方法，通過解析公式綜合口徑場，基于口徑場調(diào)制實現(xiàn)波束賦形。其中，口徑場極化控制基于各向異性的局部值，相位調(diào)控依賴于調(diào)制的形狀和周期性，而振幅控制則通過設(shè)計漏波的局部分布實現(xiàn)。然而，一方面，現(xiàn)有超表面幾何結(jié)構(gòu)和電磁特性往往不可重構(gòu)，所以對設(shè)計方法的復(fù)雜性并無要求，上述口徑場綜合方法與該現(xiàn)狀相適應(yīng)，具有很高的精確性，但復(fù)雜度高，計算成本大，這在未來可重構(gòu)的超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計中會造成嚴(yán)重的局限，難以滿足動態(tài)波束賦形的實時性要求。另一方面，上述技術(shù)中，超表面單元的幾何結(jié)構(gòu)必須具備一定的設(shè)計自由度來匹配相應(yīng)的阻抗張量，這在一定程度上，從結(jié)構(gòu)上制約了其應(yīng)用范圍，也在一定程度上限制了結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性。

3、現(xiàn)有技術(shù)“analysis?of?a?waveguide-fed?metasurface?antenna，phys.rev.applied，vol.8，no.5，p.054048，nov.2017”針對波導(dǎo)饋電的超表面天線公開了描述該天線輻射特性的閉式解析表達(dá)式。波導(dǎo)饋電超表面天線具有設(shè)計靈活，與漏波天線或行波天線類似，借助波導(dǎo)模式的相位超前特性，避免了移相網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)在相位控制受限條件下，結(jié)合全息設(shè)計方法通過對口徑場采樣耦合來部分補(bǔ)償，僅適用于一維陣列和簡單的單波束情形，并未對二維陣列和任意輻射場的波束賦形進(jìn)行討論。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于亞波長周期性電磁表面的純幅度調(diào)制波束賦形方法，僅需調(diào)控輻射單元與激勵場的耦合強(qiáng)度，在超表面幾何結(jié)構(gòu)或電磁參數(shù)具備有限可重構(gòu)能力的條件下即可實現(xiàn)靈活的波束賦形，對超表面的可重構(gòu)功能意義重大。

2、本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的：

3、一種基于亞波長周期性電磁表面的純幅度調(diào)制波束賦形方法，應(yīng)用于幾何結(jié)構(gòu)相同、方向不同的亞波長輻射單元排布成的亞波長周期性二維陣列，各亞波長輻射單元從激勵場中耦合出的輻射場共同形成亞波長周期性二維陣列的輻射場，耦合強(qiáng)度能夠改變；

4、包括以下步驟：

5、步驟1.數(shù)學(xué)建模與狀態(tài)定義；

6、建立直角坐標(biāo)系，陣列平面位于xoy平面內(nèi)，有n×n個亞波長輻射單元，其中n為奇數(shù)，各亞波長輻射單元的幾何中心構(gòu)成均勻分布網(wǎng)格的格點，單元間距為d，行與x軸平行，列與y軸平行；第m行n列的超表面單元幾何中心位置為將各亞波長輻射單元建模為格點上的短電偶極子或時諧的面電流密度矢量(簡稱振子)；

7、定義參考振子陣列；各亞波長輻射單元與對應(yīng)位置處的參考振子進(jìn)行比對，將幅度縮放和相位差組合成復(fù)數(shù)；遍歷所有亞波長輻射單元，得到復(fù)數(shù)矩陣用于表征振子陣列狀態(tài)，簡稱陣態(tài)。

8、步驟2.初態(tài)計算；

9、將位于rmn的振子的初態(tài)表示為其中，amn和ψnm分別表示位于rmn的振子相對于參考振子的幅度和相位，amn>0，j為虛數(shù)單位；

10、步驟3.目標(biāo)態(tài)計算；

11、定義與單波束關(guān)聯(lián)的單位方向矢量，給定單波束對應(yīng)的目標(biāo)態(tài)；基于電磁場疊加原理，通過多個單波束的疊加合成期望輻射波束，基于單波束對應(yīng)的目標(biāo)態(tài)給定期望輻射波束對應(yīng)的目標(biāo)態(tài)sob(rmn)；

12、步驟4.全調(diào)制因子計算；

13、計算將初態(tài)調(diào)制到期望輻射波束對應(yīng)的目標(biāo)態(tài)的調(diào)制因子m(rmn)：

14、

15、其中，上標(biāo)*表示共軛；

16、步驟5.目標(biāo)態(tài)調(diào)整；

17、期望輻射波束對應(yīng)的目標(biāo)態(tài)與初態(tài)進(jìn)行疊加，得到調(diào)整后的目標(biāo)態(tài)sob'(rmn)；

18、步驟6.調(diào)制因子計算；

19、調(diào)整后的全調(diào)制因子m'(rmn)為：

20、m'(rmn)＝m(rmn)+1

21、幅度調(diào)制因子ma(rmn)為：

22、

23、其中，re表示取實部；

24、所有亞波長輻射單元對應(yīng)的幅度調(diào)制因子分布形成最終的調(diào)制圖，基于調(diào)制圖對各亞波長輻射單元進(jìn)行幅度調(diào)制，生成期望輻射波束。

25、進(jìn)一步的，亞波長周期性二維陣列中，各亞波長輻射單元耦合的極化方向固定，可由其上感應(yīng)生成的時諧電流的極化方向、振幅和相位表征。例如，激勵場在平面波導(dǎo)內(nèi)時，超表面單元由一定朝向的縫隙耦合波導(dǎo)內(nèi)的激勵場，通過方形、圓形金屬貼片或主軸方向與縫隙一致的橢圓金屬貼片的感應(yīng)時諧電流生成輻射場，可以提取出該感應(yīng)時諧電流密度矢量的強(qiáng)度、方向和相位，用于描述表面電流分布狀況；二維陣列可以建模為周期性排布的亞波長間距等效短偶極子陣列，短偶極子振動方向沿陣列平面。

26、進(jìn)一步的，亞波長周期性二維陣列中，周期性排布的陣列拓?fù)錆M足：各亞波長輻射單元以穿過其幾何中心且與陣列平面垂直的直線為軸旋轉(zhuǎn)90°，形成的新陣列能夠通過原陣列在陣列平面內(nèi)沿某方向平移不大于一個亞波長輻射單元間隔得到。

27、進(jìn)一步的，步驟1中，定義參考振子陣列，由位于rmn的n×n個振幅為1且同時起振的振子構(gòu)成，各振子振動方向與對應(yīng)位置亞波長輻射單元的極化方向相同，起振方向與x軸正方向夾角為∠pmn。

28、進(jìn)一步的，步驟3的具體過程為：

29、定義與單波束關(guān)聯(lián)的單位方向矢量為其中，表示單波束指向方向在xoy平面上投影與x軸正方向的夾角，θ表示單波束指向方向與z軸正方向夾角；

30、單波束對應(yīng)的目標(biāo)態(tài)sob(rmn)為：

31、

32、其中，k0表示真空中的電磁波波數(shù)；

33、記子波束的數(shù)量為w，第w個子波束的波束指向為1≤w≤w，表示第w個子波束指向方向在xoy平面上投影與x軸正方向的夾角，θw表示第w個子波束指向方向與z軸正方向夾角，與第w個子波束相關(guān)聯(lián)的單位方向矢量為

34、期望輻射波束對應(yīng)的目標(biāo)態(tài)sob(rmn)為：

35、

36、其中，α為輻射能量因子，表示為：

37、

38、進(jìn)一步的，步驟5中，調(diào)整后的目標(biāo)態(tài)sob'(rmn)為：

39、

40、本發(fā)明的有益效果是：

41、本發(fā)明所述波束賦形方法支持可重構(gòu)亞波長周期性二維陣列的靈活波束賦形實現(xiàn)，可簡單高效地計算調(diào)制因子分布生成不同波束指向、不同數(shù)量的多波束；本發(fā)明所述方法僅通過對超表面單元輻射強(qiáng)度的調(diào)制實現(xiàn)波束賦形，減少了對亞波長周期性二維陣列可重構(gòu)性能的要求，從而極大地降低了可重構(gòu)技術(shù)的實現(xiàn)難度，減輕了亞波長周期性二維陣列天線的設(shè)計壓力；利用本發(fā)明所述方法，當(dāng)亞波長周期性二維陣列通過可變電容或液晶技術(shù)等可行技術(shù)具備一定的電磁特性可重構(gòu)能力，即可實現(xiàn)動態(tài)波束賦形，這對亞波長周期性二維陣列可重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。