文献综述
人工电磁超表面(Metasurface)是近几年人工电磁超材料(metamaterial)的最新发展方向和研究热点之一。它是一种超薄的二维阵列平面，通过把亚波长尺寸的人工电磁材料规律的排布成平面阵设计而成，可实现对电磁波波束方向[1-6]、极化方式[7-12]、传播模式[13-17]等特性的灵活有效调控。
人工电磁超表面有多种分类方式。根据单元结构是否有金属地可分为反射型超表面和透射型超表面。反射型超表面由于金属地的存在，通常可近似为全反射，其表面阻抗为纯虚数，是一种电抗表面，介质损耗和金属损耗很小，因此在微波段得到广泛研究。
透射型超表面由于存在较大的介质损耗，通常透射率都比较低，在微波段不具有实用研究价值，因此基于它的研究成果主要体现在光波段。因此本文中采用的是反射型各向异性超表面，反射型各向异性超表面因其底层金属地板的存在而能对入射电磁波形成全反射，因此效率几乎能达到100%。2011年在美国《科学》杂志上发表了一篇通过超表面实现电磁波异常反射和透射的文章[1]，吸引了科研人员的广泛关注，文献拓展了传统的电磁波折射定律，提出了广义斯涅耳定律，基于该原理利用梯度相位表面实现了电磁波的异常反射和折射。根据广义斯涅耳定律，对于某一种梯度渐变表面，当入射电磁波的入射角度大于某一个临界值时可以实现空间波向表面波的转换。基于这一原理, 2014年东南大学崔铁军课题组的王桂珍提出了一种由正交工字型组成的各向异性单元结构，它只需要单独调节水平方向和垂直方向的工字型长度便可实现两个正交方向上电磁波反射相位的独立调控[18]，利用该单元结构组成 Metasurface可实现多种极化调制的功能器件如极化分离器、极化转换器[19]和波束偏折极化转换器[20]。本论文就是在此工作的基础上，研究各向异性超表面在准球面波照射下对多个波束辐射特性与极化方式的独立调控能力。
传统的多波束天线主要有三种基本形式，包括透镜式、反射面式和相控阵式，它们能实现波束赋形和波束扫描等功能，但存在设计成本高、结构复杂等缺点。结合平面反射阵天线低造价、低剖面、重量轻、馈电简单等诸多优点，平面反射阵天线在多波束方面的研究得到越来越多的关注。多波束平面反射阵天线的馈电形式有单馈源和多馈源两种形式，其直接设计方法主要有两种，分别为几何分区法和口径场叠加法[21]。这两种方法均是对平面反射阵天线进行直接设计，存在效率低、波束偏移大、方向图特性差等缺点，因此后来出现了一些优化算法以改善多波束平面反射阵天线在这些方面的缺点，这些优化算法包括交替投影法，粒子群算法，和遗传算法。由于这些优化算法相对复杂，因此多波束的设计只采用了相对简单的口径场叠加的设计方法。
对馈源的选择借鉴了平面反射阵天线的相关设计要求。在平面反射阵天线的设计中，最常用的馈源主要有两种：一种是Vivaldi天线，它的优点是剖面低，所以经常用于正馈方式反射阵天线设计中以减少对馈源的遮挡效应，但是它的相位中心随着频率的改变变化比较大容易造成相位补偿上的较大误差，而且它的E面和H面的方向图对称性较差；另一种是喇叭天线，相比于Vivaldi天线，它的相位中心相对稳定，E面和H面的对称性也比较好，但是它的体积较大，在正馈方式下馈源的遮挡效应严重，所以一般用于偏馈反射阵天线的馈源。基于上述分析，本论文中我们采用的是一种新型的波导探头馈源[22]，它兼具喇叭天线和Vivaldi天线的优点，体积很小，剖面低，E面与H面的方向图几乎完全对称，而且在工作频段内增益和波瓣宽度比较稳定，相位中心的变化也很小，是正馈方式下人工电磁超表面馈源的良好选择。
任意一种极化的电磁波都可以用两个极化方向相互垂直的线极化波叠加而成，通过合理设计这两个垂直方向的幅度和相位便可实现任意极化方式。对于反射式人工电磁超表面，由于接地板的存在几乎可实现对电磁波的全反射，所以反射波的幅度可近似认为相等，无需考虑，只需要通过调节两个垂直方向的相位差便可实现极化的调控。
各向异性人工电磁超表面利用其对不同极化方向入射电磁波的不同响应可实现对电磁波极化方式的灵活调控，将其与广义斯涅耳定律相结合通过合理设计超表面上两个正交方向上的相位分布可以同时实现极化调控和波束偏折。但目前基于人工电磁超表面的研究大多是在平面波入射条件下调控单个波束的极化方式，使其实现极化转换、极化分离或者波束偏折。多波束平面反射阵天线是在准球面波入射条件下通过相位补偿原理构造某一种合适的相位分布使其同时产生多个不同辐射方向的笔形波束。与各向异性超表面相比，两者有一个共同之处就是都是通过设计表面相位分布来实现特定功能，不同的是各向异性超表面调控的是两个正交方向上的相位分布，而多波束反射阵天线通常各个方向上的相位分布是相同的。借鉴多波束平面反射阵中形成多波束的思想，利用各向异性超表面对两个垂直方向相位的灵活调控能力则可以实现对多个波束极化方式的独立调控。基于上述思想，研究各向异性超表面在准球面波的照射下对多波束辐射特性和极化方式的独立调控能力，设计实现了具有不同辐射方向和极化调控功能的多波束各向异性人工电磁超表面。
参考文献：
[1] Yu N F, Genevet P, and Kats M A. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction[J]. Science, 2011, 334(6054):333-337.
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