技术领域
[0001] 本
发明属于电磁超材料天线技术领域，涉及一种反射超表面单元反射特性分析方法，具体涉及一种加载集总元件的反射超表面单元特性分析方法，可用于可重构反射超表面单元的反射特性的分析。
背景技术
[0002] 可重构反射超表面是加载有集总元件的反射超表面单元沿一维或二维周期排布组成的阵列，通过对集总元件的不同状态进行控制，使得反射超表面产生不同的特性。现有理论证明，对加载集总元件(变容
二极管、PIN二极管、MEMS 等)的可重构反射超表面单元反射特性的精确分析，其难点在于在不同的频段下，利用集总元件通用的等效
电路得到的反射特性仿真结果与测量结果有时相同，而在大多数情况下结果不同，且在高频时两种结果的差异更大。原因在于集总元件在不同频段下对应的分布参数不同，相应的等效的电路模型不同，这就造成了可重构反射超表面单元反射特性的快速分析的困难。传统的反射特性分析方法是通过利用加载集总元件的等效电路元件参数对加载有集总元件的反射超表面单元仿真得到的仿真结果和利用
波导对加载有集总元件的反射超表面单元测量结果的对比，得到加载有集总元件的反射超表面单元的反射特性。由于不同频段下集总元件的等效电路模型不同，所以传统分析方法在不同频段下通用性有限；另外利用波导对加载集总元件的反射阵单元进行测量很容易引入误差，需要进行反复的测量才能得到准确的测量结果，使得传统分析方法的速度大大降低，并且容易在结果中引入误差；这些
缺陷使得传统反射特性分析方法在加载集总元件的可重构反射超表面单元反射特性分析的应用受到了极大的限制。合理的分析方法，可以提高对加载集总元件的可重构反射超表面单元的反射特性分析的速度、通用性和准确性。
[0003] Huanhuan Yang等人在A 1-Bit Multipolarization Reflectarray Element for Reconfigurable Large-Aperture Antennas[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.16,pp.581-584,2017.中，公开了一种利用集总元件的等效电路模型对加载集总元件的多极化反射阵单元的反射特性分析方法，该方法在传统反射特性分析方法的
基础上，通过对加载集总元件的多极化反射阵单元的背部馈电和形状大小设置，使得加载集总元件的多极化反射阵单元与波导口面很好吻合。该方法的优点是减少了利用波导测量时引入的部分误差，能够得到加载集总元件的多极化反射阵单元在特定频段下的反射特性，为加载集总元件的多极化反射阵单元的设计和快速优化提供了参考。但是由于利用波导对加载集总元件的多极化反射阵单元进行测量时，系统本身也存在误差，需要进行反复的测量才能得到准确的测量结果，这样该方法虽然解决了传统方法中的准确性问题，但是利用波导进行测量降低了分析速度，另外由于集总元件在不同的频段下的分布参数不同，在不同频段下集总元件的等效电路不同，该方法在不同频段下对加载集总元件的多极化反射阵单元的反射特性分析通用性有限。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对上述
现有技术的不足，提出了一种加载集总元件的反射超表面单元特性分析方法，旨在保证准确性的前提下实现在不同频段下的反射特性分析，并提高分析的速度。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
[0006] (1)获取反射超表面单元模型端口的
散射参数S′：
[0007] (1a)建立反射超表面单元模型：
[0008] 建立具有n个加载集总元件
位置的反射超表面单元模型，n≥1；
[0009] (1b)设置反射超表面单元模型的仿真条件：
[0010] 设置反射超表面单元模型加载集总元件位置i的集总端口为Li，i＝1,2,…,n，集总端口的阻抗为k,30Ω≤k≤70Ω，边界条件为周期边界条件，目标电磁响应端口为Floquet端口F，工作频段为集总元件的工作频段(fmin,fmax)；
[0011] (1c)对反射超表面单元模型进行全波仿真，得到反射超表面单元模型集总端口Li和Floquet端口F的散射参数S′；
[0012] (2)获取集总元件二端口的散射参数S″q：
[0013] 将集总端口的阻抗k作为集总元件测量端口的阻抗，并采用TRL测量方法对工作状态q下的集总元件进行测量，得到集总元件二端口的散射参数S″q， q＝1,2,…,m；
[0014] (3)获取加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性Mag1q和Phase1q：
[0015] (3a)利用
软件MATLAB工具箱RF Toolbox的snp2smp函数，从散射参数S′
抽取出集总端口Li的散射参数Si；
[0016] (3b)利用软件MATLAB工具箱RF Toolbox的cascadesparams函数，对集总端口Li的散射参数Si与散射参数S″q进行级联，得到反射超表面单元模型 Floquet端口F的散射参数Saq；
[0017] (3c)计算加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性Mag1q和Phase1q：
[0018] Mag1q＝dB(Saq)，
[0019] Phase1q＝Arg(Saq)；
[0020] (4)获取工作状态q下的集总元件等效电路C1q的元件参数集合Circuitq：
[0021] 查取官方数据手册中工作状态q下的集总元件等效电路C0q所有元件的参数，组成C0q的元件参数集合Circuit0q，并将Circuit0q作为反射超表面单元上加载工作状态q下的集总元件等效电路C1q中所有元件参数组成的元件参数集合 Circuitq＝Circuit0q；
[0022] (5)获取加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性Mag2q和Phase2q：
[0023] (5a)利用软件MATLAB工具箱RF Toolbox的setports函数，通过C1q的元件参数集合Circuitq，计算加载工作状态q下的集总元件的等效电路的散射参数 S″′q；
[0024] (5b)利用软件MATLAB的工具箱RF Toolbox的cascadesparams函数，将散射参数Si与散射参数S″′q进行级联，得到反射超表面单元模型Floquet端口F的散射参数Sbq；
[0025] (5c)计算加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性Mag2q和Phase2q：
[0026] Mag2q＝dB(Sbq)，
[0027] Phase2q＝Arg(Sbq)；
[0028] (6)判断Mag1q＝Mag2q且Phase1q＝Phase2q是否成立，若是，执行步骤(7)，否则，调整元件参数集合Circuitq中元件的参数，并执行步骤(5)；
[0029] (7)获取加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性Mag3q和Phase3q：
[0030] 设置反射超表面单元模型的边界为周期边界条件，同时根据元件参数集合 Circuitq中的元件参数，设置反射超表面单元模型加载工作状态q下的集总元件位置i的集总边界为Miq，对反射超表面单元模型进行全波仿真，得到加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性Mag3q和Phase3q；
[0031] (8)判断Mag3q＝Mag2q且Phase3q＝Phase2q是否成立，若是，将Mag3q和 Phase3q作为加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性，否则，调整步骤(7)全波仿真中的剖分网格，并执行步骤(7)。
[0032] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0033] (1)本发明中通过MATLAB编程，分别利用集总元件二端口散射参数和集总元件等效电路的元件参数得到相等的加载集总元件的反射超表面单元反射特性；比较利用MATLAB编程和仿真得到的加载集总元件的反射超表面单元的反射特性，获得加载集总元件的反射超表面单元准确的反射特性；与现有的技术相比，避免了使用波导测量方法对加载集总元件的反射超表面单元的反射特性进行测量，由于波导测量方法需反复测量消除引入误差，所以有效提高了反射特性分析的速度。
[0034] (2)本发明中，在不同频段下利用集总元件二端口散射参数得到加载集总元件的反射超表面单元的反射特性，通过MATLAB编程利用不同频段下的反射特性得到对应频段下集总原件等效电路的元件参数，根据对应频段下等效电路的元件参数设置加载集总元件的反射超表面单元仿真条件，与现有的技术相比，避免了利用集总元件等效电路的元件参数只能对特定频段下加载集总元件的反射超表面单元反射特性分析的缺陷，使得本方法通用性更强。
附图说明
[0036] 图2(a)为本发明反射超表面单元在Ansys HFSS中所建模型的结构尺寸示意图；
[0037] 图2(b)为本发明反射超表面单元在Ansys HFSS设置端口及边界示意图；
[0038] 图3为本发明反射超表面单元的集总端口散射参数Si和集总元件二端口的散射参数S″q的级联示意图；
[0039] 图4为本发明中官方数据手册中PIN二极管Skyworks SMP1340导通(q＝1) 与断开(q＝2)的等效电路图；
[0040] 图5(a)为本发明加载集总元件的反射超表面单元的反射特性Phase1q、 Phase2q和Phase3q示意图。
[0041] 图5(b)为本发明加载集总元件的反射超表面单元的反射特性Mag1q、Mag2q和Mag3q示意图。
具体实施方式
[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体
实施例，对本发明进一步详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043] 参照图1，一种加载集总元件的反射超表面单元特性分析方法，包括如下步骤：
[0044] 步骤1)获取反射超表面单元模型端口的散射参数S′：
[0045] 步骤1a)建立反射超表面单元模型：
[0046] 在本实施例中，在仿真软件Ansys HFSS中建立具有1个加载集总元件位置的反射超表面单元模型，如图2(a)所示，反射超表面单元由超材料结构，介质
基板和金属地板、拼接而成，其中超材料结构的中心和介质基板上表面的中心在同一条法线上，金属地板的大小与介质基板的下表面大小相同，加载集总元件的位置长为L1＝0.6mm、宽为W1＝0.4mm，正方形超材料结构边长为 L2＝28.05mm、中间缝隙Gap＝0.2mm，介质基板高为t＝2mm，边长为L3＝33mm，金属地板边长为L4＝33mm；
[0047] 步骤1b)设置反射超表面单元模型的仿真条件：
[0048] 在本实施例中，集总元件为PIN二极管Skyworks SMP1340，如图2(d)在仿真环境中设置反射超表面单元模型加载集总元件位置的集总端口为L1，设置集总端口大小与Skyworks SMP1340物理尺寸相等，长为L5＝0.6mm、宽为 W5＝0.4mm，阻抗的积分线与Skyworks SMP1340工作时的
电流方向相同。由于大多测量工具的特征阻抗为50Ω，为了便于将分析结果与实测结果进行对比，设置集总端口的阻抗为50Ω，Ansys HFSS中定义了多种边界条件类型，主要有周期边界条件、理想导体边界条件、理想磁边界条件、有限导体边界条件等，由于周期边界条件用于模拟平面周期结构表面边界条件，故设置反射超表面单元模型的边界条件为周期边界条件，其中左侧面边界设置为主边界Mster1，右侧面边界设置为从边界Slave1,前侧面边界设置为主边界Mster2，后侧面边界设置为从边界Slave2；Ansys HFSS中定义了多种端口激励方式，主要有Floquet端口激励、波端口激励、集总端口激励等，Floquet端口基于Floquet模式进行场求解，用于如平面
相控阵列和
频率选择表面等类型的二维平面周期性结构的仿真设计，因此设置反射超表面单元模型的目标电磁响应端口为Floquet端口F。另外 Skyworks SMP1340的工作频段为(10MHz,10GHz)，故设置仿真频段为 (4GHz,6GHz)，即PIN二极管正常工作的频段；
[0049] 步骤1c)由于全波仿真对于所有频段都适用，在本实施例中，对反射超表面单元模型进行全波仿真，得到反射超表面单元模型集总端口L1和Floquet端口 F的散射参数S′；
[0050] 步骤2)获取集总元件二端口的散射参数S″q：
[0051] 由于
矢量网络分析仪只能测量与测量端口样式一致的待测部件，无法直接测量如贴片二极管器件等集总元件的散射参数，因此需要使用测试夹具来测量集总元件的散射参数，但是使用夹具会引入测量误差，相比OSLT(Open，Short，Line， Through)和其他校准件而言，TRL校准件制作简单，一旦
选定校准件，所有步骤求解均为显式表达，可完成自动化校准，具有快速、精准、方便的优点，故采用TRL测量方法对工作状态q下的集总元件进行测量，得到集总元件二端口的散射参数S″q，在本实施例中，根据集总端口的阻抗，设置集总元件测量端口的阻抗为50Ω，利用TRL测量方法对Skyworks SMP1340进行测量，由于Skyworks SMP1340有导通和关断两种工作状态，因此这里取m＝2，其中q＝1代表导通状态、q＝2代表关断状态，得到Skyworks SMP1340在导通和关断状态下的二端口的散射参数S″1和S″2；
[0052] 步骤3)获取加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性 Mag1q和Phase1q：
[0053] 步骤3a)在本实施例中，利用软件MATLAB工具箱RF Toolbox的snp2smp 函数，从散射参数S′抽取出集总端口L1的散射参数S1；
[0054] 步骤3b)如图3所示，利用软件MATLAB工具箱RF Toolbox的 cascadesparams函数，对集总端口Li的散射参数Si与散射参数S″q进行级联，在本实施例中，对集总端口L1的散射参数S1与散射参数S″1、S″2分别进行级联，得到Skyworks SMP1340在导通和关断情况下反射超表面单元模型Floquet端口F的散射参数Sa1和Sa2；
[0055] 步骤3c)计算加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性 Mag1q和Phase1q：
[0056] Mag11＝dB(Sa1)，
[0057] Phase11＝Arg(Sa1)，
[0058] Mag12＝dB(Sa2)，
[0059] Phase12＝Arg(Sa2)
[0060] 在本实施例中，计算加载Skyworks SMP1340的反射超表面单元在Skyworks SMP1340导通情况下反射特性Mag11和Phase11及关断情况下反射特性Mag12和 Phase12，如图5(a)所示，MATLAB两端口_on反射
相位曲线为Phase11、 MATLAB两端口_off反射相位曲线为Phase12，如图5(b)所示，MATLAB两端口_on反射幅度曲线为Mag11、MATLAB两端口_off反射幅度曲线为Mag12；
[0061] 步骤4)获取工作状态q下的集总元件等效电路C1q的元件参数集合Circuitq：
[0062] 在本实施例中，官方数据手册中Skyworks SMP1340导通和关断情况下等效电路C01和C02如图(4)所示，根据等效电路C01和C02得到Skyworks SMP1340 导通和关断情况下等效电路的元件参数集合Circuit01和Circuit02，并将Circuit01和 Circuit02作为反射超表面单元上加载的Skyworks SMP13400导通和关断情况下等效电路C11和C12中所有元件参数组成的元件参数集合Circuit1＝Circuit01和 Circuit2＝Circuit02；
[0063] 步骤5)获取加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性 Mag2q和Phase2q：
[0064] 步骤5a)利用软件MATLAB工具箱RF Toolbox的setports函数，通过等效电路C11和C12中所有元件参数组成的元件参数集合Circuit1和Circuit2，计算 Skyworks SMP1340导通和关断情况下等效电路的散射参数S″′1和S″′2；
[0065] 步骤5b)利用软件MATLAB的工具箱RF Toolbox的cascadesparams函数，将散射参数S1与散射参数S″′1和S″′2分别进行级联，得到反射超表面单元模型Floquet端口F的散射参数Sb1和Sb2；
[0066] 步骤5c)计算加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性 Mag2q和Phase2q：
[0067] Mag21＝dB(Sa1)，
[0068] Phase21＝Arg(Sa1)，
[0069] Mag22＝dB(Sa2)，
[0070] Phase22＝Arg(Sa2)，
[0071] 在本实施例中，计算加载Skyworks SMP1340的反射超表面单元在Skyworks SMP1340导通情况下反射特性Mag21和Phase21及关断情况下反射特性Mag22和 Phase22，如图5(a)所示，MATLAB等效电路_on反射相位曲线为Phase21、 MATLAB等效电路_off反射相位曲线为Phase22，如图5(b)所示，MATLAB 等效电路_on反射幅度曲线为Mag21、MATLAB等效电路_off反射幅度曲线为 Mag22；
[0072] 步骤6)在本实施例中，当Mag11与Mag21，Mag12与Mag22分别相差小于1dB 就视为两者相等，当Phase11与Phase21，Phase12与Phase22分别相差小于10°视为两者相等，根据判断条件判断Mag11＝Mag21、Mag12＝Mag22、Phase11＝Phase21、 Phase12＝Phase22是否同时成立，若是，执行步骤7)，否则，当q＝1时，对 Skyworks SMP1340导通时在射频域的寄生元件类型以及电路串并联形式，通过软件MATLAB工具箱Global Optimization Toolbox的Genetic Algorithm遗传
算法求解器，优化更新元件参数集合Circuit1中寄生元件参数，并执行步骤5)；当q＝2 时，对Skyworks SMP1340关断时在射频域的寄生元件类型以及电路串并联形式，通过软件MATLAB工具箱Global Optimization Toolbox的Genetic Algorithm
遗传算法求解器，优化更新元件参数集合Circuit2中寄生元件参数，并执行步骤5)；
[0073] 步骤7)获取加载工作状态q下的集总元件的反射超表面单元的反射特性Mag3q和Phase3q：
[0074] 在本实施例中，在仿真软件Ansys HFSS中设置反射超表面单元模型的边界为周期边界条件，根据元件参数集合Circuit1中的元件参数，设置反射超表面单元模型加载导通时的集总元件位置的集总边界为M11，对反射超表面单元模型进行全波仿真，得到加载导通状态下Skyworks SMP1340的反射超表面单元的反射特性Mag31和Phase31；根据元件参数集合Circuit2中的元件参数，设置反射超表面单元模型加载关断时的集总元件位置的集总边界为M12，对反射超表面单元模型分别进行全波仿真，得到加载关断状态下Skyworks SMP1340的反射超表面单元的反射特性Mag32和Phase32；如图5(a)所示，HFSS等效电路_on反射相位曲线为Phase31、HFSS等效电路_off反射相位曲线为Phase32，如图5(b)所示，HFSS等效电路_on反射幅度曲线为Mag31、HFSS等效电路_off反射幅度曲线为Mag32；
[0075] 步骤8)在本实施例中，当Mag31与Mag21，Mag32与Mag22分别相差小于1dB 就视为两者相等，当Phase31与Phase21，Phase32与Phase22分别相差小于10o视为两者相等，根据判断条件判断Mag31＝Mag21、Mag32＝Mag22、Phase31＝Phase21、 Phase32＝Phase22是否同时成立，若是，将Mag31和Phase31作为加载导通状态下 Skyworks SMP1340的反射超表面单元的反射特性、将Mag32和Phase32作为加载关断状态下Skyworks SMP1340的反射超表面单元的反射特性，否则，调整步骤 7)全波仿真中的剖分网格的数量和大小，并执行步骤7)。
[0076] 以下结合实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
[0077] 本实验中，使用现有技术和本发明技术中用到的设备及使用软件对比如下表所示：
[0078]
[0079]
[0080] 实验中使用加载Skyworks SMP1340的反射超表面单元,
电压源MCH-127D，矢量网络分析仪Agilent E8364A，标准矩形波导WR-75。采用TRL测量方法对 PIN二极管Skyworks SMP1340的散射参数进行测量。整个计算过程在配置为 Intel Core i7主频3.6GHz和8GB内存的电脑上完成的，采用仿真软件Ansys HFSS 并结合MATLAB完成整个数据分析求解过程，整个求解过程在频段 (4GHz,6GHz)下完成。
[0081] 分析结果如图5(a)、5(b)所示，在Skyworks SMP1340同一工作状态下，三种情形下加载Skyworks SMP1340的反射超表面单元的反射特性对应的曲线几乎重合,满足预先设定条件,从而得到三种情形下相同的反射特性，最终得出加载 Skyworks SMP1340的反射超表面单元的反射特性与实际情况相符，从而证明了本发明的正确性。
[0082] 实验中利用现有技术和本发明方法对加载Skyworks SMP1340的反射超表面单元的反射特性进行分析，两种方法耗费时间比对如下：
[0083]
[0084] 与现有技术相比，
硬件测量时间明显减少，另外仿真时间基本没有增加，解决了现有技术因使用波导分析方法导致分析速度慢的问题，明显提高了分析的速度。
[0085] 以上描述仅是本发明的具体实施例，不构成对本发明的任何限制。应当理解的是，对本领域专业技术人员来说，在了解本发明的原理后，根据上述说明对形式、细节和参数等加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附
权利要求的保护范围。
