一、 研究背景

　　波束扫描是无线移动通信和雷达的基本需求之一。工程师们往往希望低成本和结构简单的设计来满足性能指标需求。如图1所示可重构智能反射表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）可以利用可重构的相位分布实现波束扫描的性能。作为最简单相位补偿，1比特相位补偿的单元只需两种可切换的状态（一般为180°相位差）即可实现对电磁波的波束赋形。相比2比特和更多比特补偿的单元，1比特单元的结构简单，只需要少量的开关（比如开关二极管）就可以实现单元状态的切换，而且控制线布置的难度最小。因此1比特超表面可以大大降低开关带来的成本和损耗，也可以大大简化控制电路的设计。但是，使用1比特单元也有代价，其可调的相位自由度十分有限，这会在波束扫描时引入非常高的副瓣甚至和主瓣对称的波束。

　　(a)平面波入射的1比特相控超表面结构

　　(b) 1比特超表面单元

　　图1. 1比特相控的超表面结构与单元

　　在之前的研究工作中，我们提出了伪随机均匀分布的预相位方法。该方法能够有效打破阵因子函数的对称性，从而有效抑制了与主瓣对称的波束。然而，针对不同方向的波束赋形，预相位的分布是固定的，伪随机均匀分布的预相位不能保证每个波束下的副瓣都能得到很好的抑制。本文针对这个问题，提出了一种新的低复杂度的预相位设计方法，使1比特可重构智能反射表面对平面波进行波束赋形时可以实现好的副瓣抑制。

　　二、原理方法

　　基于阵因子函数的理论分析，可以发现预相位的分布对特定平面内的波束扫描具备等效幅度调制的效果。首先将三维空间中的副瓣抑制（三维问题）转化成波束扫描平面内的副瓣抑制（二维问题），从而大大降低了设计和计算的复杂度。因为相位等效调幅的特殊性和局限性，差分进化算法用来优化特定区域内不同取值的预相位的个数。最后，利用对称矩阵，把结果转化成平面预相位的分布。所设计出的预相位能够支持不同波束方向下，副瓣的抑制。该方法适用于两个垂直平面内的波束扫描（比如xoz和yoz平面）。同时，本项研究还对单元状态进行了优化，并对单元设计进行了改进，从而实现更好的副瓣抑制效果。

　　三、仿真与测试结果

　　利用所提出的设计方法，针对-30°到30°（间隔10°）波束扫描的情况进行了预相位的设计。对比图2和图3可以看出，等效幅度调制设计的预相位分布，相比伪随机均匀预相位分布，副瓣的改善约为5dB。图4和图5是利用所设计的预相位分布，设计不同初设角度的反射面的CST仿真和实测结果。结合理论分析，理论验证，仿真设计和实测结果，可以看出，通过设计预相位的分布，1比特超表面波束扫描的副瓣可以得到很好抑制效果。

　　【论文信息】

　　J. X. Yin, Q. Wu, H. M. Wang, and Z. N. Chen, “Prephase-based equivalent amplitude tailoring for low sidelobe levels of 1-bit phase-only control metasurface under plane wave incidence,” IEEE Trans. Antennas Propag., DOI: 10.1109/TAP.2022.3184968, Early Access, June 2022.