Métasurface de codage broadband intégrée pour rayonnement tunable simultané et faible diffusion

Résumé

Nous présentons une nouvelle métasurface électromagnétique de codage (EMMS) qui unifie le rayonnement tunable à large bande avec un comportement de faible diffusion. Des cellules unitaires anisotropes présentant des réponses de phase opposées aux incidences polarisées en x et y sont définies comme éléments binaires « 0 » et « 1 ». En utilisant une optimisation par recuit simulé, ces éléments sont agencés en un réseau 4 × 4 qui fournit une diffusion broadband tout en permettant à la métasurface de fonctionner comme une antenne. Lorsqu'elle est excitée avec une amplitude et une phase adaptées, le réseau rayonne des ondes polarisées linéairement (LP) ; avec un décalage de phase de 90°, une polarisation circulaire gauche ou droite (L/RHCP) est obtenue. La simulation à ondes complètes et les mesures expérimentales confirment la double fonctionnalité et démontrent un paradigme de conception simple et polyvalent pour des solutions EMMS intégrées.

Contexte

Les métasurfaces électromagnétiques (EMMS) sont des réseaux bidimensionnels conçus de résonateurs sous-longueur d'onde qui contrôlent la phase, l'amplitude et la polarisation des ondes incidentes [1,2]. Leur profil mince, leur conformabilité et leur fabrication à faible coût ont stimulé de nombreuses recherches sur le façonnage de front d'onde, la conversion de polarisation et l'absorption [3-9]. Les particules anisotropes élargissent davantage l'espace de conception, permettant des fonctions inaccessibles avec des éléments isotropes, telles que la conversion de polarisation linéaire-linéaire ou linéaire-circulaire arbitraire [10-18], l'absorption parfaite par couplage en champ proche [19-21] et les discontinuités de phase haute performance pour lentilles, hologrammes et capes [22-31].

Récemment, les EMMS de codage sont apparues comme un paradigme puissant pour la manipulation des ondes EM. Le codage binaire ou multi-bits attribue des états de phase discrets (par exemple, 0° et 180° pour 1-bit) aux cellules unitaires, permettant des motifs de phase spatiaux arbitraires [32-38]. L'incorporation d'éléments reconfigurables ou programmables étend davantage ces métasurfaces à des applications tunables et adaptatives [39-40]. Bien que la plupart des conceptions d'EMMS de codage se concentrent sur le contrôle de la diffusion, leurs capacités radiatives intrinsèques ont été largement négligées.

Notre travail comble cette lacune en concevant une métasurface de codage anisotrope qui fournit simultanément une performance de faible diffusion broadband et un rayonnement tunable. En sélectionnant soigneusement la géométrie de la cellule unitaire, nous obtenons des réponses de phase complémentaires pour les polarisations orthogonales, permettant à la métasurface de servir d'antenne efficace lorsqu'elle est convenablement alimentée.

Méthodes

La Figure 1 illustre la géométrie de la cellule unitaire et la métasurface de codage 4 × 4 résultante. Deux couches diélectriques FR-4 (εr = 2,65, tan δ = 0,002) d'épaisseurs 3 mm et 0,5 mm sont empilées sans espaces d'air. Quatre patches bowtie 4 × 4 (36 mm × 36 mm) sont gravés sur la couche supérieure, et un plan de masse à fente étroite (15,5 mm × 0,2 mm) est gravé sur la couche inférieure pour imposer une réflexion quasi-parfaite. La cellule « 1 » (Fig. 1b) et son homologue tourné de 90° « 0 » (Fig. 1c) présentent des réponses de phase opposées sous polarisation orthogonale. La disposition optimale 0/1 est obtenue via un algorithme de recuit simulé (SAA) qui minimise le facteur de réseau maximal, maximisant ainsi la diffusion. Les paramètres clés du SAA sont : température initiale = 100, facteur de refroidissement = 0,9, température finale = 0, et 1000 itérations.

Pour les simulations de rayonnement, chaque cellule est excitée via un port concentré et un connecteur SMA 50 Ω se connecte à un patch rectangulaire étroit (13 mm × 1,3 mm) à travers un trou dans le substrat inférieur pour fournir l'adaptation d'impédance. Une fente mince dans le plan de masse couple l'énergie dans la couche supérieure, permettant le rayonnement en direction large. La Figure 2 montre une bande passante à 1 dB de 5 GHz à 6 GHz (bande passante relative 18,2 %) et un gain en direction large stable de 7 dBi. Les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H sont symétriques et dirigés en direction large.

L'analyse modale (FEKO 7.0) révèle que les deux premiers modes orthogonaux (mode 1 à 5,32 GHz, mode 2 à 5,72 GHz) dominent la réponse broadband, tandis que les modes d'ordre supérieur sont supprimés. La Figure 3 visualise les courants de surface pour les modes 1–4, illustrant la paire de modes orthogonaux fondamentale responsable du rayonnement souhaité.

La performance de diffusion est évaluée en utilisant des ports de Floquet. Les graphiques de phase de réflexion (Fig. 5a) montrent une différence de phase de 180° entre les cellules « 0 » et « 1 » sur 2–18 GHz, tandis que les magnitudes de réflexion restent proches de l'unité (Fig. 5b). Ce contraste de phase assure l'annulation d'énergie broadband, produisant une faible section efficace radar (RCS). Les simulations à ondes complètes confirment une réduction de 6 dB du RCS de 5 GHz à 18 GHz, avec deux creux à 5,9 GHz et 10,4 GHz atteignant jusqu'à 31,8 dB de suppression du RCS.

Résultats et discussion

Le comportement de la métasurface de codage peut être compris via la théorie conventionnelle des réseaux :

\[\mathbf{E}_{\text{total}}=\sum_{m=0}^{M-1}\sum_{n=0}^{N-1}\mathbf{EP}_{m,n}\,e^{j(k m\Delta x\sin\theta\cos\varphi + k n\Delta y\sin\theta\sin\varphi + \phi_{m,n})}\]

Pour le rayonnement, des alimentations à amplitude égale produisent des vecteurs de champ orthogonaux ; la phase d'alimentation relative contrôle la polarisation de sortie : 0° (ou 180°) donne LP, tandis qu'un décalage de 90° génère RHCP. Deux points de fonctionnement représentatifs sont présentés.

Avec amplitude et phase adaptées (ϕ₀ = ϕ₁ = 0°), le réseau présente un rayonnement LP sur 4,97–6,05 GHz (bande passante 19,6 %) et un gain en direction large de 12,6 à 17,4 dBi. Les diagrammes restent symétriques dans les deux plans (Fig. 6).

Pour RHCP, une différence de phase de 90° entre les alimentations produit une bande passante de rapport axial 3 dB de 5,22–6,00 GHz (bande passante 13,9 %) et un gain en direction large de 13,2–15,8 dBi (Fig. 7).

Les instantanés de champ électrique à 5,35 GHz (Fig. 8) confirment que le rayonnement LP résulte de l'excitation en phase des deux types de cellules, tandis que le rayonnement CP résulte d'un décalage de phase de 90° qui excite préférentiellement un type de cellule à la fois.

Les résultats de diffusion (Fig. 9) montrent une réduction continue de 6 dB du RCS sur 5–18 GHz, avec deux creux prononcés atteignant 31,8 dB. L'évolution du diagramme (Fig. 9c–e) démontre huit lobes faibles au lieu des quatre lobes dominants d'un réseau damier conventionnel, confirmant une diffusion efficace. Les simulations d'incidence oblique (Fig. 10) et la diffusion mesurée (Fig. 11) vérifient davantage la performance de faible diffusion broadband jusqu'à des angles de 60°.

La métasurface 4 × 4 fabriquée a été testée dans une chambre anéchoïque. Les bande passantes S11 et rapport axial mesurées (Fig. 13a) s'alignent étroitement avec les simulations, atteignant 5,22–6,02 GHz (bande passante 14,2 %). Les diagrammes de rayonnement (Fig. 13b–c) confirment un rayonnement RHCP symétrique, en direction large, avec des lobes latéraux au moins 10 dB en dessous du lobe principal. Les mesures de diffusion (Fig. 13d) démontrent une réduction de 6 dB du RCS de 5 à 18 GHz, avec des pics à 6,1 GHz et 10,2 GHz atteignant 26 dB et 31 dB respectivement.

Conclusions

Nous avons démontré une EMMS de codage qui fournit simultanément un rayonnement tunable broadband et une performance de faible diffusion broadband. En exploitant des cellules unitaires anisotropes avec des réponses de phase orthogonales et en optimisant leur disposition binaire via recuit simulé, la métasurface fonctionne comme une antenne efficace (LP ou CP) tout en atteignant une réduction de 6 dB du RCS de 5 à 18 GHz. Cette double fonctionnalité offre une plateforme simple et évolutive pour les antennes reconfigurables en polarisation, les applications furtives et au-delà.

Abréviations

ARBW :

Bande passante de rapport axial

EM :

Électromagnétique

EMMS :

Métasurfaces électromagnétiques

L/RHCP :

Polarisation circulaire gauche ou droite

LP :

Polarisation linéaire

PCB :

Circuit imprimé

RCSR :

Réduction de section efficace radar

SAA :

Algorithme de recuit simulé