Metasuperfície de Codificação Banda Larga Integrada para Radiação Ajustável Simultânea e Baixo Espalhamento

Resumo

Apresentamos uma nova metasuperfície eletromagnética de codificação (EMMS) que unifica radiação ajustável de banda larga com comportamento de baixo espalhamento. Células unitárias anisotrópicas exibindo respostas de fase opostas para incidência polarizada em x e y são definidas como elementos binários "0" e "1". Usando otimização por recozimento simulado, estes elementos são arranjados em uma matriz 4 × 4 que proporciona espalhamento difuso de banda larga enquanto permite que a metasuperfície funcione como antena. Quando excitada com amplitude e fase iguais, a matriz irradia ondas polarizadas linearmente (LP); com desfasagem de 90°, polarização circular à esquerda ou direita (L/RHCP) é alcançada. Simulações de onda completa e medições experimentais confirmam a dupla funcionalidade e demonstram um paradigma de projeto simples e versátil para soluções EMMS integradas.

Introdução

Metasuperfícies eletromagnéticas (EMMSs) são arranjos bidimensionais projetados de ressonadores subcomprimento de onda que controlam fase, amplitude e polarização de ondas incidentes [1,2]. Seu perfil fino, conformabilidade e fabricação de baixo custo impulsionaram extensa pesquisa em conformação de frente de onda, conversão de polarização e absorção [3-9]. Partículas anisotrópicas expandem ainda mais o espaço de projeto, permitindo funções inatingíveis com elementos isotrópicos, como conversão arbitrária linear-para-linear ou linear-para-circular [10-18], absorção perfeita através de acoplamento de campo próximo [19-21], e descontinuidades de fase de alto desempenho para lentes, hologramas e capas [22-31].

Recentemente, EMMSs de codificação emergiram como paradigma poderoso para manipulação de onda EM. Codificação binária ou multibit atribui estados de fase discretos (ex: 0° e 180° para 1-bit) a células unitárias, permitindo padrões de fase espaciais arbitrários [32-38]. Incorporar elementos reconfiguráveis ou programáveis estende estas metasuperfícies a aplicações ajustáveis e adaptativas [39-40]. Embora a maioria dos projetos de EMMS de codificação foque em controle de espalhamento, suas capacidades radiativas intrínsecas foram amplamente negligenciadas.

Nosso trabalho preenche esta lacuna projetando uma metasuperfície de codificação anisotrópica que simultaneamente fornece desempenho de baixo espalhamento de banda larga e radiação ajustável. Selecionando cuidadosamente a geometria da célula unitária, alcançamos respostas de fase complementares para polarizações ortogonais, permitindo que a metasuperfície sirva como antena eficiente quando apropriadamente alimentada.

Métodos

A Figura 1 ilustra a geometria da célula unitária e a metasuperfície de codificação 4 × 4 resultante. Duas camadas dielétricas FR-4 (εr = 2,65, tan δ = 0,002) com espessuras 3 mm e 0,5 mm são empilhadas sem espaços de ar. Quatro remendos bowtie 4 × 4 (36 mm × 36 mm) são gravados na camada superior, e um plano de terra de fenda estreita (15,5 mm × 0,2 mm) é gravado na camada inferior para impor reflexão quase perfeita. A célula "1" (Fig. 1b) e sua contraparte rotacionada 90° "0" (Fig. 1c) exibem respostas de fase opostas sob polarização ortogonal. O layout 0/1 ótimo é obtido via algoritmo de recozimento simulado (SAA) que minimiza o fator de array de pico, maximizando espalhamento difuso. Parâmetros-chave SAA: temperatura inicial = 100, fator de resfriamento = 0,9, temperatura final = 0, e 1000 iterações.

Para simulações de radiação, cada célula é excitada via porta concentrada e um SMA 50 Ω conecta a um remendo retangular estreito (13 mm × 1,3 mm) através de furo no substrato inferior para fornecer casamento de impedância. Uma fenda fina no plano de terra acopla energia à camada superior, permitindo radiação broadside. A Figura 2 mostra largura de banda de 1 dB de 5 GHz a 6 GHz (largura de banda relativa 18,2%) e ganho broadside estável de 7 dBi. Padrões de radiação nos planos E e H são simétricos e direcionados broadside.

Análise modal (FEKO 7.0) revela que os dois primeiros modos ortogonais (modo 1 a 5,32 GHz, modo 2 a 5,72 GHz) dominam a resposta de banda larga, enquanto modos de ordem superior são suprimidos. A Figura 3 visualiza correntes de superfície para modos 1-4, ilustrando o par de modos ortogonais fundamental responsável pela radiação desejada.

Desempenho de espalhamento é avaliado usando portas Floquet. Gráficos de fase de reflexão (Fig. 5a) mostram diferença de fase de 180° entre células "0" e "1" sobre 2-18 GHz, enquanto magnitudes de reflexão permanecem próximas à unidade (Fig. 5b). Este contraste de fase garante cancelamento de energia de banda larga, resultando em baixa seção transversal radar (RCS). Simulações de onda completa confirmam redução de RCS de 6 dB de 5 GHz a 18 GHz, com dois vales a 5,9 GHz e 10,4 GHz atingindo até 31,8 dB de supressão RCS.

Resultados e Discussão

O comportamento da metasuperfície de codificação pode ser entendido via teoria de array convencional:

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

Para radiação, alimentações de amplitude igual produzem vetores de campo ortogonais; a fase de alimentação relativa controla a polarização de saída: 0° (ou 180°) resulta em LP, enquanto desfasagem de 90° gera RHCP. Dois pontos operacionais representativos são apresentados.

Com amplitude e fase iguais (ϕ₀ = ϕ₁ = 0°), a matriz exibe radiação LP através de 4,97-6,05 GHz (largura de banda 19,6%) e ganho broadside de 12,6 a 17,4 dBi. Padrões permanecem simétricos em ambos os planos (Fig. 6).

Para RHCP, diferença de fase de 90° entre alimentações resulta em largura de banda de razão axial de 3 dB de 5,22-6,00 GHz (largura de banda 13,9%) e ganho broadside de 13,2-15,8 dBi (Fig. 7).

Instantâneos de campo elétrico a 5,35 GHz (Fig. 8) confirmam que radiação LP surge de excitação em fase de ambos os tipos de célula, enquanto radiação CP resulta de desfasagem de 90° que excita preferencialmente um tipo de célula por vez.

Resultados de espalhamento (Fig. 9) mostram redução contínua de 6 dB RCS através de 5-18 GHz, com dois vales pronunciados atingindo 31,8 dB. A evolução do padrão (Fig. 9c-e) demonstra oito lóbulos fracos em vez dos quatro lóbulos dominantes de array xadrez convencional, confirmando espalhamento difuso efetivo. Simulações de incidência oblíqua (Fig. 10) e espalhamento medido (Fig. 11) verificam ainda mais desempenho de baixo espalhamento de banda larga em ângulos até 60°.

A metasuperfície 4 × 4 fabricada foi testada em câmara anecoica. S11 medido e larguras de banda de razão axial (Fig. 13a) alinham-se estreitamente com simulações, atingindo 5,22-6,02 GHz (largura de banda 14,2%). Padrões de radiação (Fig. 13b-c) confirmam radiação RHCP broadside simétrica com lóbulos laterais pelo menos 10 dB abaixo do lóbulo principal. Medidas de espalhamento (Fig. 13d) demonstram redução de 6 dB RCS de 5 a 18 GHz, com picos a 6,1 GHz e 10,2 GHz atingindo 26 dB e 31 dB respectivamente.

Conclusões

Demonstramos uma EMMS de codificação que simultaneamente fornece radiação ajustável de banda larga e desempenho de baixo espalhamento de banda larga. Explorando células unitárias anisotrópicas com respostas de fase ortogonais e otimizando seu layout binário via recozimento simulado, a metasuperfície opera como antena eficiente (LP ou CP) enquanto atinge redução de 6 dB RCS de 5 a 18 GHz. Esta dupla funcionalidade oferece plataforma direta e escalável para antenas reconfiguráveis de polarização, aplicações stealth e além.

Abreviações

ARBW

Largura de banda de razão axial

EM

Eletromagnético

EMMS

Metasuperfícies eletromagnéticas

L/RHCP

Polarização circular à esquerda ou direita

LP

Polarizada linearmente

PCB

Placa de circuito impresso

RCSR

Redução de seção transversal radar

SAA

Algoritmo de recozimento simulado