超表面波束控制的倾角的计算方法

通过在辐射信号的路径中引入新的材料，可以实现波束的倾斜控制。

材料的折射率的变化可以改变信号的方向，其可以用Snell定律来解释。

用一个如下图所示的，加载超材料的端射天线的等效模型举例。

 

波束倾角的原理，通过假设一种通过连接保持在一个点源前的两种不同介质所组成的材料来解释。

长度为l/2、厚度为d的两种介质的有效折射率分别为η1和η2。

进入两种介质的波将经历相移，可以认为相当于一对具有相移β的天线，定义如下：

 

相移β与波束倾斜θ之间的关系可以定义为：

 

通过以上两个方程，波束倾斜角度可以定义为：

 

上式给出了波束倾斜对两种材料的折射率差的依赖关系，允许波束向不同的方向引导。该方法已被用于构建在整个衬底中具有不同的介电常数和磁导率的超材料透镜。

超表面在波传播控制中的应用包括：

极化转换，波束控制，相位控制。

 

与 3-D 复合材料相比，其低剖面、低成本和易于制造的特性使其更具吸引力。引起了从微波到太赫兹和光学范围的广泛关注，因为它在无线系统中有很好的应用，可以提高发射器和接收器之间通信的稳健性和效率，特别是对于通常是线性极化的现代超紧凑型电子系统。

极化失配可以通过偏振转换来缓解，以匹配直接路径的偏振。

 

通过波束控制，最大功率方向可被重定向到接收器。反射超表面的反射波束可以通过相位匹配与直接路径相建设性地结合。

 

添加相位偏移，可能有助于集成到多功能可重构超表面。此功能支持反射波的相位操纵，以便在使用多个超表面来抵消或增强局部场时可以创建空间热点/冷点。

 

开发具有同步极化、光束控制和相位偏移的超表面可以在无线通信系统中找到许多应用。

[1] A. Bansal, C. J. Panagamuwa, and W. G. Whittow, “State-of-the-art Millimeter-Wave Beam-Steering Antennas for Beyond 5G and 6G Networks - A Comprehensive Review (Supplementary Information),” IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2024.

[2] X. Yang, E. Wen, D. Bharadia and D. F. Sievenpiper, "Multifunctional Metasurface: Simultaneous Beam Steering, Polarization Conversion, and Phase Offset," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 5, pp. 4589-4593, May 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3371697.