[论文解读] Macroscopic Modeling of Anomalously Reflecting Metasurfaces: Angular Response and Far-Field Scattering

Ana Díaz‐Rubio, Sergei Tretyakov|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 39被引用 6

一句话总结

本文提出了一种宏观表面阻抗模型，用于预测在任意入射角下，异常反射超表面的角响应和远场散射特性。通过将超表面建模为具有空间变化反射系数的相位梯度结构，该模型能够准确预测衍射模的振幅和散射图案，尤其适用于真实传播环境中有限尺寸面板的情况。

ABSTRACT

In view of extremely challenging requirements on design and optimization of future mobile communication systems, researchers are considering possibilities of creation intelligent radio environments by using reconfigurable and smart metasurfaces integrated into walls, ceilings, or facades. In this novel communication paradigm, tunable metasurfaces redirect incident waves into the desired directions. In order to design and characterize such smart radio environments in any realistic scenario, it is necessary to know how these metasurfaces behave when illuminated from other directions and how scattering from finite-sized anomalous reflectors can be estimated. We study the angular response of anomalous reflectors for arbitrary illumination angles. Using the surface-impedance model, we explain the dependence of the reflection coefficients of phase-gradient metasurfaces on the illumination angle and present numerical examples for typical structures. We also consider scattering from finite-size metasurfaces and define a route toward including the full-angle response of anomalous reflections into the ray-tracing models of the propagation channel. The developed models apply to other diffraction gratings of finite size.

研究动机与目标

• 为了建模相位梯度超表面在任意入射角下的角响应，这对于智能射频环境设计至关重要。
• 为了建立一个分析框架，用于预测在一般入射波条件下，有限尺寸异常反射器的远场散射特性。
• 为了弥合理想化的无限超表面模型与实际中有限尺寸实现之间的差距，特别是在传播信道建模中。
• 为了通过与具有金属沟槽的物理超表面结构的全波仿真结果对比，验证表面阻抗模型的准确性。
• 为了实现将超表面散射行为集成到复杂射频波传播场景的射线追踪模型中。

提出的方法

• 使用表面阻抗模型来描述具有空间变化相位梯度的反射式超表面的宏观电磁响应。
• 应用弗洛quet理论将反射场分解为由 n 索引的传播衍射模，其角度由 sinθ_rn = sinθ_i + (2π/kD)n 确定。
• 将宏观反射系数 R(θ_i, x) 定义为单个模系数 r_n(θ_i) 的总和，其中包含由线性相位梯度引起的相位变化。
• 通过结合物理光学概念与光栅衍射理论，利用非局部感应电流表示法，推导出远场散射的解析表达式。
• 通过将连续阻抗预测结果与有限尺寸超表面（由金属沟槽构成）的全波仿真结果进行对比，验证该模型。
• 证明主反射模的相位可通过与阴影辐射的干涉实现调控，从而控制旁瓣结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 当相位梯度超表面从任意角度入射时，其角响应如何变化，特别是当设计并非针对正入射时？
• RQ2 在斜入射条件下，入射功率在不同衍射模（n = 0, ±1, ±2, ...）中的分布如何？
• RQ3 与全波仿真相比，表面阻抗模型在预测有限尺寸超表面散射行为方面的准确性如何？
• RQ4 如何对任意入射方向和入射角下的有限异常反射器远场散射进行解析建模？
• RQ5 主反射模的相位是否可调谐以控制散射图样的旁瓣电平？其对阴影辐射的影响如何？

主要发现

• 对于设计用于正入射（θ_id = 0°）下异常反射的超表面，入射功率主要耦合至 n = 1 衍射模，当相位梯度设计得当时，镜面反射（n = 0）可忽略不计。
• 当以斜入射角照射时，大量功率可能耦合至多个模，包括镜面反射（n = 0），尤其是在需要大角度波束偏转时更为显著。
• 表面阻抗模型能准确预测有限超表面的角响应，金属沟槽结构的数值仿真结果与解析预测高度一致。
• 该模型可计算任意入射方向的远场散射，因此适用于复杂传播环境的射线追踪模型集成。
• 主反射谐波的相位可被调控以塑造旁瓣结构，因为其与阴影辐射的干涉依赖于该相位。
• 该理论框架不仅适用于相位梯度超表面，也适用于实现目标异常方向近100%效率的非局域超表面，且其他传播模的振幅被有效抑制。