[论文解读] Addition Theorem Revisiting for Phase/Amplitude-Encoded Metasurfaces: Asymmetric Spatial Power Dividers

Hamid Rajabalipanah, Ali Abdolali+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文重新审视了相位/振幅编码超表面的叠加定理，提出了一套修正的形式化方法，实现了可独立控制光束功率比与方向的非对称空间功率分配器（ASPD）。通过联合调制3-bit Pancharatnam-Berry超原子的相位与振幅，该方法可在无需暴力优化的情况下，实现多个光束间任意预设的功率分布，仿真结果验证了其功率比精度误差低于3%。

ABSTRACT

Recent years have witnessed an extraordinary spurt in attention toward the wave manipulating strategies revealed by coding metasurfaces as they build up a bridge between the physical and digital worlds. Newly, it has been shown that when two different coding patterns responsible for doing separate missions are added together based on the superposition theorem, the mixed coding pattern will perform both missions at the same time. In this paper, via a semi-analytical procedure, we demonstrate that such a theorem is not necessarily valid for all possible functionalities with considering phase-only coding distributions and ignoring the element pattern function. By revisiting the addition theorem, we introduce the concept of asymmetric spatial power divider (ASPD) with arbitrary power ratio levels in which modulating both amplitude and phase of the meta-atoms is inevitable to fully control the power intensity pattern of the metasurface. Numerical simulations illustrate that the proposed ASPD driven by proper coding sequences can directly generate a desired number of beams with pre-determined orientations and power budgets. The phase/amplitude-encoded Pancharatnam-Berry meta-atoms realize the required coding pattern in each case and good conformity between simulations and theoretical predictions verifies the presented formalism. This work exposes a new opportunity to implement spatial power dividers for various applications such as multiple-target radar systems, beamforming networks, and multiple-input multiple-output (MIMO) communication.

研究动机与目标

• 为解决现有方法在控制超表面光束中非对称功率分布时缺乏快速、解析式方法的问题。
• 识别先前仅基于相位编码的超表面叠加定理中忽略振幅调制所导致的局限性。
• 建立一种半解析框架，用于设计具有任意光束方向与预设功率比的空间功率分配器。
• 证明必须同时调制相位与振幅，才能实现对超表面中光强分布的完全控制。
• 通过提供一种非迭代、可直接设计的方法，推动MIMO通信与多目标雷达等实际应用。

提出的方法

• 通过引入振幅调制，重新审视编码超表面中的叠加原理，突破仅基于相位的假设。
• 推导出修正后的叠加定理（公式12），可基于相位与振幅编码系数精确预测叠加光束的功率比。
• 采用3-bit相位/振幅编码的Pancharatnam-Berry超原子，独立控制局部反射相位与振幅。
• 利用半解析形式化方法设计梯度超表面，生成在期望角度处具有指定功率水平的笔形光束。
• 通过CST Microwave Studio中的全波仿真验证设计，将理论预测与仿真散射图案进行对比。
• 采用双基地散射图案测量，确认在正入射条件下光束方向与功率比的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将传统编码超表面的叠加定理扩展至包含振幅调制，以实现对功率比的精确预测？
• RQ2 在仅基于相位编码的叠加波束成形中忽略振幅调制会产生何种后果？
• RQ3 是否可能设计一种空间功率分配器，实现多个光束间任意且非对称的功率分布，并可独立调节光束方向？
• RQ4 如何建立一种半解析框架，以避免在光束功率控制中采用暴力优化？
• RQ5 相位/振幅编码的超原子在多光束配置中，能在多大程度上实现对光束功率比的精确控制？

主要发现

• 修正后的叠加定理可精确预测叠加超表面中光束的功率比，仿真结果表明功率比误差仅为3%。
• 在第一个实例中，所提出的ASPD设计实现了1.03的功率比，与理论值1.00高度吻合，光束角度分别为15°与35°，符合设计预期。
• 在第二个实例中，仿真得到的功率比为0.705，与理论值0.719高度一致，表明理论与仿真之间具有极高的符合度。
• 该方法成功生成了两个具有任意方向与非对称功率水平的光束，且无需迭代或基于优化的设计步骤。
• 采用3-bit相位/振幅编码的超原子可实现对相位与振幅的独立控制，验证了所提设计方法的可行性。
• 整个框架通过全波仿真得到验证，确认所提方法在波束成形应用中兼具高精度与高效率。