CN105552564A - 偏振不敏感的相位梯度超表面 - Google Patents

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程用志
李维刚
吴晨骏
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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/004—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective using superconducting materials or magnetised substrates

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Abstract

本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，具有这样的特征，包括：表层金属膜，由至少一个超单元结构均匀排列成平面阵列构成；介质基板，与表层金属膜相贴合；以及金属背板，与介质基板相贴合，其中，超单元结构由九个小单元构成，呈3×3超表面，九个小单元中包含有三种不同几何参数结构，三种不同几何参数结构组合在一个超单元结构中形成固定的相位梯度，超单元结构的三种不同几何参数结构为周期图案阵列，几何参数结构中间具有十字型开缝。

Description

偏振不敏感的相位梯度超表面
技术领域
本发明涉及微波领域，特别涉及一种基于材料的偏振不敏感的相位梯度超表面。
背景技术
相位梯度超表面是一种具有亚波长厚度并能够调控电磁波传播特性的平面结构超材料。相位梯度超表面可将入射电磁波耦合为伪表面波或使入射电磁波产生异常反射，在电磁隐身技术中具有重要的应用价值。伪表面波本质上就是类似于表面等离子体激元(SurfacePlasmonPolaritons,SPPs)独特现象，通常也称为伪SPPs。SPPs是指导体介质界面产生的电荷集体震荡现象。当电磁波作用到导体-介质界面时，导体中的自由电子与电磁波相互作用，导致自由电子浓度涨落，当入射电磁波的频率与自由电子的集体震荡频率一致时，便产生了强烈限制在金属表面传播、在垂直于表明的方向上能量急剧衰减的具有独特性质的SPPs。通常将垂直入射到超材料表面上的电磁波转换成类似于伪SPPs的器件或结构称为表面波耦合器(surfacewavecoupler)，它在高分辨率频谱成像、高数据速率短距离通信、材料分析、化学和生物传感以及电磁隐身等领域具有巨大的应用潜力。当前设计的基于相位梯度超表面的表面波耦合器对电磁波的偏振敏感的。也就是说设计的超表明只对特定偏振方向的电磁波耦合成表面波，当入射电磁波偏振方向发生改变时，其作用就减弱或消失了。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种对电磁波偏振不敏感，效率高的偏振不敏感的相位梯度超表面。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，具有这样的特征，包括：表层金属膜，由至少一个超单元结构均匀排列成平面阵列构成；介质基板，与表层金属膜相贴合；以及金属背板，与介质基板相贴合，其中，超单元结构由九个小单元构成，呈3×3超表面，九个小单元中包含有三种不同几何参数结构，三种不同几何参数结构组合在一个超单元结构中形成固定的相位梯度，超单元结构的三种不同几何参数结构为周期图案阵列，几何参数结构中间具有十字型开缝。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，还具有这样的特征：其中，几何参数结构为椭圆形、长方形、三角形、菱形等规则周期性结构。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，还具有这样的特征：其中，相邻超单元结构之间的相位差为固定的常数。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，还具有这样的特征：其中，几何参数结构的边长分别为px和py，表层金属膜和金属背板的厚度为tm。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，还具有这样的特征：其中，十字型开缝的边长为l1，十字型开缝的边宽为l2，十字型开缝的外弧形半径为Ri，十字型开缝的缝隙宽度为g。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，还具有这样的特征：其中，介质基板的厚度为ts。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，还具有这样的特征：其中，px的范围为5mm～50mm，py的范围为5mm～50mm，tm的范围为0.01mm～0.1mm。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，还具有这样的特征：其中，l1的范围为5mm～50mm，l2的范围为2.5mm～25mm，Ri的范围为3mm～30mm，g的范围为0.05mm～2mm。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，还具有这样的特征：其中，ts的范围为1mm～15mm。
本发明提供的偏振不敏感的相位梯度超表面，还具有这样的特征：其中，表层金属膜和金属背板通过印刷电路板工艺焊接在介质基板。
发明作用和效果
根据本发明所涉及的偏振不敏感的相位梯度超表面，能将入射到超表面结构上的传输波高效的转换成耦合的伪表面波，能够应用于微波或光波波导器件、以及电磁波传输调制器件，有望在通信、电磁隐身等领域产生广泛的应用，在环境科学、信息、国家安全及基础物理研究领域有着广阔的应用价值，将会带来巨大社会经济效应。
附图说明
图1是本发明在实施例中偏振不敏感的相位梯度超表面二维阵列的结构示意图；
图2是本发明在实施例中超单元结构的结构立体图；
图3是本发明在实施例中超单元结构二维阵列的结构示意图；
图4是本发明在实施例中小单元的结构立体图；以及
图5是本发明在实施例中仿真实验得到相位梯度超表面在垂直入射不同偏振角情况下的反射率曲线图。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明所涉及的偏振不敏感的相位梯度超表面作详细的描述。
实施例
图1是本发明在实施例中偏振不敏感的相位梯度超表面二维阵列的结构示意图。
图2是本发明在实施例中超单元结构的结构立体图。
图3是本发明在实施例中超单元结构二维阵列的结构示意图。
图4是本发明在实施例中小单元的结构立体图。
如图1、图2、图3和图4所示，偏振不敏感的相位梯度超表面具有：表层金属膜1、介质基板2和金属背板3。
表层金属膜1采用铜、银或铝，本实施例中采用铜膜。表层金属膜1由复数个超单元结构1-1均匀排列成平面阵列构成。本实施例中超单元结构1-1的数量为9个，相邻的超单元结构之间的相位差为固定的常数。表层金属膜1的厚度为tm，tm的范围为0.01mm～0.1mm。本实施例中，tm为0.035mm。
超单元结构1-1由九个小单元构成，呈3×3超表面。九个小单元中包含有三种不同几何参数结构，分别为几何参数结构A、几何参数结构B和几何参数结构C。
几何参数结构可以为椭圆形、长方形、三角形、菱形等规则周期性结构。本实施例中的几何参数结构为菱形。
几何参数结构的边长分别为px和py。其中，px的范围为5mm～50mm，py的范围为5mm～50mm。在本实施例中，px和py分别为11mm。
三种几何参数结构组合在一个超单元结构1-1中形成固定的相位梯度。超单元结构1-1的三种不同所述几何参数结构为周期图案阵列。
几何参数结构中间具有十字型开缝1-1-1。十字型开缝的外弧形半径为Ri，Ri的范围为3mm～30mm。本实施例中，几何参数结构A的外弧形半径为RA为3.36mm，几何参数结构B的外弧形半径为RB为4.41mm，几何参数结构C的外弧形半径为RC为4.98mm。
十字型开缝的边长为l1，l1的范围为5mm～50mm。本实施例中，l1为10.9mm。
十字型开缝的边宽为l2，l2的范围为2.5mm～25mm。本实施例中，l2为4.65mm。
十字型开缝的缝隙宽度为g，g的范围为0.05mm～2mm。本实施例中，g为0.1mm。
介质基板2为介电材料，本实施例中采用聚四氟乙烯FR-4，介电常数为4.1，损耗角为0.02。介质基板2与表层金属膜3通过印刷电路板工艺相互贴合在一起。介质基板2的厚度为ts，ts的范围为1mm～15mm。本实施例中，ts为3mm。
金属背板3采用铜、银或铝，本实施例中采用铜膜。金属背板3与介质基板2通过印刷电路板工艺相互贴合在一起。表层金属背板3的厚度为tm，tm的范围为0.01mm～0.1mm。本实施例中，tm为0.035mm。
偏振不敏感的相位梯度超表面经过时域有限差分(FDTD)算法数值模拟在垂直入射TEM波情况下，其将入射到表层金属膜1的传输波耦合成表面波的效率可以用平板反射率频谱进行表征，在某个频率范围内，反射率越小表面其耦合成表面波的能力就越强。通过合理优化设计偏振不敏感的相位梯度超表面的材料和结构参数，使其在设定的特定频率的阻抗与自由空间的阻抗相匹配，此时入射的传输波几乎能完整的转换成耦合的表面波形式。
图5是本发明在实施例中仿真实验得到相位梯度超表面在垂直入射不同偏振角情况下的反射率曲线图。
如图5所示，10.2GHz附近，在垂直入射不同偏振角情况下的反射率均小于-10dB，这表明设计的偏振不敏感的相位梯度超表面能将垂直入射的90％以上的电磁波耦合成表面波，因此，该偏振不敏感的相位梯度超表面可以看作是较为理想的伪表面波耦合器。另外，由于设计的超材料结构具有严格的几何对称性，因此其对入射电磁波是偏振不敏感的，也就是说入射的任意偏振微波都能被有效耦合成表面波，且效率超过90％。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及偏振不敏感的相位梯度超表面，能将入射到超表面结构上的传输波高效的转换成耦合的表面波，能够应用于微波或光波波导器件、以及电磁波传输调制器件，有望在通信、电磁隐身等领域产生广泛的应用，在环境科学、信息、国家安全及基础物理研究领域有着广阔的应用价值，将会带来巨大社会经济效应。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于，包括:
表层金属膜，由至少一个超单元结构均匀排列成平面阵列构成；
介质基板，与所述表层金属膜相贴合；以及
金属背板，与所述介质基板相贴合，
其中，所述超单元结构由九个小单元构成，呈3×3超表面，
九个所述小单元中包含有三种不同几何参数结构，
三种不同所述几何参数结构组合在一个所述超单元结构中形成固定的相位梯度，
所述超单元结构的三种不同所述几何参数结构为周期图案阵列，
所述几何参数结构中间具有十字型开缝。
2.根据权利要求1所述的偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于：
其中，所述几何参数结构为椭圆形、长方形、三角形、菱形等规则周期性结构。
3.根据权利要求1所述的偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于：
其中，相邻所述超单元结构之间的相位差为固定的常数。
4.根据权利要求1所述的偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于：
其中，所述几何参数结构的边长分别为px和py，
所述表层金属膜和所述金属背板的厚度为tm。
5.根据权利要求1所述的偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于：
其中，所述十字型开缝的边长为l1，
所述十字型开缝的边宽为l2，
所述十字型开缝的外弧形半径为Ri，
所述十字型开缝的缝隙宽度为g。
6.根据权利要求1所述的偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于：
其中，所述介质基板的厚度为ts。
7.根据权利要求4所述的偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于：
其中，所述px的范围为5mm～50mm，
所述py的范围为5mm～50mm，
所述tm的范围为0.01mm～0.1mm。
8.根据权利要求5所述的偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于：
其中，所述l1的范围为5mm～50mm，
所述l2的范围为2.5mm～25mm，
所述Ri的范围为3mm～30mm，
所述g的范围为0.05mm～2mm。
9.根据权利要求6所述的偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于：
其中，所述ts的范围为1mm～15mm。
10.根据权利要求1所述的偏振不敏感的相位梯度超表面，其特征在于：
其中，所述表层金属膜和所述金属背板通过印刷电路板工艺贴合在所述介质基板。
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