一种用于辐射场生成的可编程超表面阵列编码设计方法

摘要

本发明属于微波天线阵列设计技术领域，公开一种用于辐射场生成的超表面阵列编码设计方法。该方法的主要步骤包括：(1)根据期望辐射场计算信息矩阵；(2)初始化超表面阵列编码方案；(3)微调编码；(4)计算损失函数；(5)更新编码方案；(6)迭代更新编码。该方法解决了现有技术存在的无法有效设计编码生成近场辐射场的问题，其有益效果有：灵活可控，可以设计任意形式的辐射场分布；精确度高，根据设计的编码生成的辐射场与期望辐射场之间的误差小；实时快速，通过设置合适的阈值可以快速得到编码设计结果，能够适应辐射场高速切换的应用场合，在电磁探测、智能通信等领域具有广泛应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于阵列设计技术领域，涉及一种设计超表面阵列编码生成指定辐射场的方法。

背景技术

电磁超材料能够对电磁波束灵活调控，从而设计出各种形式的辐射场，目前已经用于生成涡旋电磁波、调控波束方向图等方面，并且在电磁探测、智能通信等领域具有重大应用前景。由电磁超材料构成的二维超表面阵列具有许多突破传统天线性能的优点，并且其结构简单、易于实现，特别是随着可编程超表面阵列的出现，通过简单的数字编码即可对入射电磁波进行灵活多样的调控，从而为利用电磁波进行智能感知提供了一种解决方案。然而，如何设计超表面阵列编码是一个迫切需要解决的问题。在天线设计制造领域中通常只设计波束形态，以波束方向图的形式表现其远场性质，因而目前超表面阵列的编码优化研究主要集中在调整远场辐射上，对超表面的近场区域研究非常少，并且常规的设计只能根据单波束照射角度，粗糙计算相对应的编码，无法依据具体的距离和聚焦位置计算编码，对多波束、复杂波束、近场情况无效。然而实际应用中目标可能会位于超表面的近场区域，因此需要考虑通过控制可编程超表面来动态控制近场电磁辐射。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的无法有效设计编码生成近场辐射场的问题，提出一种用于辐射场生成的超表面阵列编码设计方法，该设计方法具有灵活可控、精确度高、计算复杂度低的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种用于辐射场生成的超表面阵列编码设计方法，所述方法包括：

(1)根据期望辐射场y计算信息矩阵：根据期望辐射场确定计算平面网格，然后计算信息矩阵H，计算方法为

其中h

(2)初始化超表面阵列编码方案：计算信息矩阵的伪逆，然后得到反推的编码设计，根据最小距离法则将其映射为0或者1；选择某一损失函数计算当前辐射场与期望辐射场之间的差异，损失函数选择为均方误差或互信息或交叉熵，计算初始损失函数L，c为阵元编码构成的0/1矩阵按列重排形成的向量，阵列编码的计算式为

其中

(3)微调编码：随机选取D个阵元，改变其编码得到新的编码c

(4)计算损失函数：根据步骤(2)中确定的损失函数计算当前辐射场与期望辐射场之间的损失L

(5)更新编码方案：如果在步骤(4)中计算的损失函数减小，即L

(6)判断是否终止迭代：如果当前损失小于预设阈值L

本发明提出的用于辐射场生成的可编程超表面阵列编码设计方法，通过信息矩阵和期望辐射场求解超表面阵列编码，进而利用损失函数优化编码结果，具有如下有益效果：

效果一，灵活可控，可以设计任意形式的辐射场分布；

效果二，精确度高，根据设计的编码生成的辐射场与期望辐射场之间的误差小；

效果三，实时快速，通过设置合适的阈值可以快速得到编码设计结果，能够适应辐射场高速切换的应用场合。

附图说明

图1为本发明超表面阵列编码设计的流程框图；

图2为实施例1的期望辐射场；

图3为实施例1优化设计编码对应的辐射场；

图4为实施例1优化设计的阵元编码；

图5为实施例2的期望辐射场；

图6为实施例2优化设计编码对应的辐射场；

图7为实施例2优化设计的阵元编码。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种用于辐射场生成的超表面阵列编码设计方法，实施例中采用的超表面天线为1位可编程超表面阵列，即每个阵元的0/1状态对应的相位改变为0或π，阵元数目为Q＝12×12＝144，阵元在二维平面内均匀分布，阵元间距为0.03米，发射的单频连续波信号频率为f＝5GHz，发射天线位于辐射场一侧，即形成反射式结构。如图1所示为阵列编码设计方法流程。具体设计步骤如下所述：

(1)期望辐射场y如图2所示，根据y确定计算平面网格，网格划分为N＝50×50＝2500，t

(2)初始化超表面阵列编码方案：计算信息矩阵的伪逆

(3)微调编码：随机选取D＝1个阵元，改变其编码得到新的编码c

(4)计算损失函数：根据步骤(2)中确定的损失函数计算当前辐射场与期望辐射场之间的损失

(5)更新编码方案：如果在步骤(4)中计算的损失函数减小，即L

(6)判断是否终止迭代：如果当前损失小于预设阈值，即L＜L

实施例2

本实施例提供一种用于辐射场生成的超表面阵列编码设计方法，实施例中采用的超表面天线为1位可编程超表面阵列，即每个阵元的0/1状态对应的相位改变为0或π，阵元数目为Q＝20×20＝400，阵元在二维平面内均匀分布，阵元间距为0.03米，发射的单频连续波信号频率为f＝5GHz，发射天线位于辐射场一侧，即形成反射式结构。具体设计步骤如下所述：

(1)期望辐射场y如图5所示，根据y确定计算平面网格，网格划分为N＝28×28＝784，t

(2)初始化超表面阵列编码方案：计算信息矩阵的伪逆

(3)微调编码：随机选取D＝5个阵元，改变其编码得到新的编码c

(4)计算损失函数：根据步骤(2)中确定的损失函数计算当前辐射场与期望辐射场之间的损失

(5)更新编码方案：如果在步骤(4)中计算的损失函数减小，即L

(6)判断是否终止迭代：如果当前损失小于预设阈值，即L＜L

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化在所附的权利要求限定范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。