CN105932425B - 基于各向异性超表面的双极化多功能器件及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于双极化多功能器件技术领域，具体涉及基于各向异性超表面的双极化多功能器件及设计方法。本发明的双极化多功能器件由馈源和各向异性超表面组成，馈源与各向异性超表面的距离为F，馈源对各向异性超表面的投影位于各向异性超表面的中心；各向异性超表面由N* N个单元尺寸参数各不相同的各向异性超表面单元组成；所述各向异性超表面单元均由上、下两层完全相同的复合金属结构、高度均为h的两层介质板以及底部金属背板组成；其中，复合金属结构均由十字环嵌套十字架贴片构成。本发明率先基于各向异性超表面将四波束相位梯度与抛物面梯度以及四波束相位梯度与线性梯度进行合成，实现了多功能和复杂电磁波调控。

Description

基于各向异性超表面的双极化多功能器件及设计方法

技术领域

本发明属于双极化多功能器件技术领域，具体涉及基于各向异性超表面的双极化多功能器件及设计方法。

背景技术

经过十几年的发展，超材料（Metamaterial，MTM）已发展成为一个具有多分支且概念非常完备的丰富体系，虽然通过三维超材料可以任意操控电磁波，但高损耗和复杂的制备工流程极大地限制了它的应用和推广。作为超材料的一种二维平面形式，超表面（Metasurface）因应而生，由于其平面结构和独特的电磁特性且能与飞机、导弹、火箭以及卫星等高速运行目标共形而不破坏其外形结构及空气动力学等特性，近年来受到研究人员的青睐和广泛关注。2011年，广义Snell折射/反射定律的发现开辟了人们控制电磁波和光的全新途，正在推动该领域产生一场技术革新，梯度超表面也因此成为超材料新的分枝和研究热点。由于梯度超表面作为一种基于相位突变和极化控制思想设计的二维梯度结构，可对电磁波的激发和传输进行灵活控制，实现奇异折射/反射、极化旋转以及非对称传输等奇异功能，具有更加强大的电磁波调控能力，GMS在隐身表面、共形天线、数字编码、平板印刷等方面显示了巨大的潜在应用价值，成为各国抢夺的一个学科制高点和学科前沿。

各向异性超表面是指不同极化下呈现不同电磁响应的人工电磁结构。由于正交极化下超表面单元的相位响应可以独立调控而互不影响，各向异性超表面已被应用于独立操控两个正交极化下的反射/透射电磁波波前，如线-圆极化转换器，线极化波束分离器等，近年来成为超表面的研究热点。但已有文献均局限于线性梯度的双极化操控，至今还未见关于抛物梯度和其它更加复杂相位梯度的双极化操控。本发明率先基于各向异性超表面将四波束相位梯度与抛物面梯度以及四波束相位梯度与线性梯度进行合成，实现了多功能和复杂电磁波调控。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够实现多功能和复杂电磁波调控的双极化多功能器件及设计方法。

本发明提出的双极化多功能器件，是基于各向异性超表面技术的。其由馈源和各向异性超表面组成，其中馈源与各向异性超表面的距离为F（超表面焦距），馈源对各向异性超表面的投影位于各向异性超表面的中心；各向异性超表面由N*N个单元尺寸参数各不相同的各向异性超表面单元组成；所述各向异性超表面单元均由上、下两层完全相同的复合金属结构、高度均为h的两层介质板以及底部金属背板组成；其中，复合金属结构均由十字环嵌套十字架贴片构成。

本发明中，各向异性超表面的具体结构由本发明设计的各向异性超表面单元结构与所需实现的双极化电磁功能确定，所述双极化电磁功能是指超表面在两个正交极化激励下实现的不同电磁波调控功能，两个正交极化激励具体通过绕馈源轴线旋转馈源90°来实现。具体来说，各向异性超表面由不同结构参数的各向异性超表面单元根据特定相位梯度分布排列组成，特定相位梯度由预定实现的功能决定并通过改变单元的结构参数实现。

下面以单波束-四波束双极化高定向天线与波束偏折-四波束双极化高定向天线为例，具体介绍各向异性超表面结构组成。两种天线均由喇叭馈源和各向异性超表面组成且中心工作频率均为f ₀=10GHz；单波束-四波束双极化高定向天线的超表面包含N*N=27*27个各向异性超表面单元，口径尺寸为D=27*8.3=224.1mm，馈源位置F=224.1*0.56=125.5mm，四波束的空间指向为（φ ₁=0°，θ=40°），（φ ₁=90°，θ=40°），（φ ₁=180°，θ=40°）以及（φ ₁=270°，θ=40°）。波束偏折-四波束双极化高定向天线的超表面包含N*N=31*31个各向异性超表面单元，口径尺寸为D=257.3*257.3mm²，馈源位置为F=257.3*0.6=154.4mm，四波束空间指向为（φ ₁=0°，θ=30°）、（φ ₁=90°，θ=30°）、（φ ₁=180°，θ=30°）以及（φ ₁=270°，θ=30°）。喇叭馈源由长为a=22.86 mm，宽为b=10.16 mm的标准波导BJ-100和口径为A*B=44*24 mm²的喇叭开口构成，整体高度为L=30 mm。所述双极化通过对喇叭旋转90°获得天线的正交极化特性。

单波束-四波束双极化高定向天线的单波束功能是指喇叭沿x方向极化时超表面实现的高定向单波束辐射功能，由抛物相位梯度实现，具体地根据射线追踪法和相位补偿原理法由计算得到，式中m，n分别代表各单元在超表面中的横、列位置，p为单元周期，是工作波长，具体通过控制十字架水平贴片长度lx实现；单波束-四波束双极化高定向天线的四波束功能是指喇叭沿y方向极化时超表面实现的高定向四波束辐射功能，其四波束相位梯度通过交替投影算法优化得到，具体通过控制十字架竖直贴片长度ly实现。由于抛物梯度和四波束梯度均属于二维梯度，lx和ly在x、y方向均发生变化，同时微带阵单元结构参数lx和ly关于x、y均轴呈轴对称分布且其余结构参数为p _x=p _y=8.3 mm，r _x=r _y=8.1mm，d ₁=d ₂=0.25mm和w=1mm。

波束偏折-四波束双极化高定向天线的波束偏折功能是指喇叭沿x方向极化时超表面实现的波束指向倾斜（偏折）辐射功能，由线性相位梯度来实现，即通过沿x方向周期排列超单元实现。为便于设计超表面，沿x和y方向的单元个数相等且为Ns，其波束偏折角度由计算得到，其中λ _p为工作频率处的波长。所述超单元的线性相位梯度在10GHz处为60°，超单元周期为49.8mm，在一个超周期内，十字架水平贴片长度沿x方向依次为lx=3.65mm，lx=3.2mm，lx=2.6mm，lx=2.31mm，lx=2.1mm和lx=1.83mm；波束偏折-四波束双极化高定向天线的四波束功能是指喇叭沿y方向极化时超表面实现的高定向四波束辐射功能，与单波束-四波束双极化高定向天线的四波束功能类似，只是空间波束指向位置不同，四波束相位梯度同样采用交替投影算法优化得到。由于线性梯度仅在一个维度方向上，lx沿y方向保持不变而ly沿x、y方向均发生变化，超表面阵单元结构参数lx仅关于x轴呈轴对称分布，而ly关于x、y轴均呈轴对称分布，其余结构参数为p _x=p _y=8.3 mm，r _x=r _y=8.1mm，d ₁=d ₂=0.25mm和w=1mm。

下面具体介绍各向异性超表面单元结构及其电磁特性：

对于任意二维各向异性超表面，包括梯度方向和极化方向具有四个自由度，即：

(1)

其中，下标x/y表示梯度方向，括号内x/y表示极化方向，这里“/”表示“或”的意思。因此对于具有任意梯度方向和极化方向的各向异性超表面，垂直入射波经超表面散射后的空间波矢分量可写成：

(2)

从式（2）可以看出，通过操控超表面的梯度方向和极化方向可以对出射电磁波的纵向波矢进行任意操控，实现一些奇异电磁现象，同时各向异性超表面要求两个正交极化下电磁响应具有完全极化不相关性，也即极化不依赖性。

根据上述分析，本发明提出了一种各向异性超表面反射单元结构，如图1所示，该单元由上、下两层完全相同的复合金属结构、高度均为h的两层介质板以及底部金属背板组成；其中，复合金属结构由十字环嵌套十字架贴片构成。电磁波沿-z轴垂直入射，沿x/y轴极化。由于底部金属背板的作用，电磁波入射到超表面后发生全反射，没有透射。为实现x/y正交极化电磁波入射时超表面不同的电磁响应，分别改变x轴和y轴方向上十字架贴片的长度l _x和l _y，使单元具有不同的反射相位，和，，其余结构参数p _x=p _y=8.3mm，r _x=r _y=8.1mm，d ₁=d ₂=0.25mm以及w=1mm保持不变。这里十字架贴片和十字环构成的复合结构具有很好的极化不相关性，而且随着十字架贴片宽度w的减小单元的极化不相关性更好（详见图4）。

为说明各向异性超表面单元的电磁特性，采用商业仿真软件对单元结构进行S参数仿真。图2给出了各向异性超表面单元在y极化电磁波垂直入射时的S参数幅度和相位，这里十字架贴片长度2l _x，2l _y变化的范围为[1 mm，7.3 mm]且最小贴片长度大小与贴片宽度w相同。可以看出无论2l _y=1mm还是2l _y=3.65mm，超表面单元的幅度和相位在整个观测频率8~13GHz范围内随l _x的变化均很小，当l _x由0.5mm增至3.65mm时谐振频率只向低频漂移0.2GHz，在10.6GHz处相位差最大且为58°，而在图中阴影部分相位差几乎为0°，具有很好的电磁响应极化不相关性。从图2还可以看出，当l _y在[0.5mm，3.65mm]范围内变化时，超表面单元在10GHz处的相位变化为380°，完全达到360°相位覆盖要求。

为进一步进行验证，图3给出了单元反射相位随频率和l _x变化的二维相图，可以看出除10.6GHz附近以及8.2GHz以下相位响应随l _x变化有微小差异之外，其余频率处单元的相位响应不随l _x变化，再次验证了单元的极化不相关性。图2和图3的结果告诉我们，为实现完美极化不相关性，单元的工作频率应低于l _y取最大值（本发明l _y=3.65mm）时的谐振频率。

如图4所示，当2l _x与宽度w相同时（最小值），随着贴片宽度w的增大超表面单元的反射幅度、相位响应曲线几乎保持不变；而当l _x=3.65mm时（最大值），随着贴片宽度w的增大超表面单元的反射幅度、相位响应曲线逐渐向低频移动，这使得l _x的变化对y极化时电磁响应的影响加强，不利于极化不相关性设计。因此为实现完美极化不相关性，贴片宽度w越小越好，但同时w越小相位积累不够，因此为同时满足极化不相关性和360°相位覆盖，本发明实施类中选择w=1 mm。

如图5所示，当l _y由0.5mm逐渐增至3.65mm时，各向异性超表面单元的反射幅度在9，9.5，10以及10.5GHz处均大于0.97，具有很好的反射幅度一致性，而四个频率处反射相位响应随l _y的变化率一致，曲线斜率几乎平行，相位变化一致性好，超表面单元具有很宽的工作带宽。

图6为各向异性超表面单元在f ₀=10 GHz处的反射幅度、相位响应随l _y变化的扫描曲线。单元结构参数为p _x=p _y=8.3 mm，r _x=r _y=8.1mm，d ₁=d ₂=0.25mm，w=1mm和l _x=2mm。其中p _x、p _y分别为单元沿x和y方向的周期，r _x、r _y分别为十字环沿x和y方向的长度，d ₁、d ₂分别为十字环的宽度以及十字环与十字架贴片的缝隙距离，w为十字架贴片的宽度。

各向异性超表面由不同结构参数的各向异性超表面单元根据特定相位梯度分布排列组成，特定相位梯度由预定实现的功能决定并通过改变单元的结构参数实现。

本发明提出的基于各向异性超表面的双极化多功能器件的设计方法，具体步骤为（以单波束-四波束双极化高定向天线以及波束偏折-四波束双极化高定向天线为例）：

第一步：根据正交极化下需要实现的电磁波调控功能，确定两个极化下器件口径上的相位分布。例如，实现高定向辐射时的抛物线/面梯度（m，n分别代表各单元在超表面中的横、列位置，p为单元周期长度），实现波束偏折时的线性梯度以及实现均匀多波束的多波束相位梯度等，这里抛物相位梯度和线性相位梯度直接由公式计算得到，而多波束相位梯度根据交替投影算法优化得到。在确定上述器件相位分布的过程中，要预定器件的一些初始参数，如馈源位置F，中心工作频率f ₀，口径大小D与单元个数N=D/p，四波束的空间俯仰角θ以及方位角φ。

第二步：合理设计正交极化不相关超表面单元结构，使其满足幅度一致性好以及360°相位覆盖。首先确定极化不相关单元的反射正交分量组合，如本发明单波束-四波束双极化器件选择，，和，而波束偏折-四波束双极化器件选择，和；然后根据确定的反射正交分量组合进行单元结构设计，使得改变y方向上的单元尺寸对和没有影响，改变x方向上的单元尺寸对和没有影响。

第三步：对超表面单元进行参数扫描分析，获得单元反射相位随结构参数的变化关系，如图6所。这里以中心工作频率处的相位为参考，为提高后续结构建模的精度需要对扫描反射相位分别对频率和结构参数进行二次样条插值。

第四步：根据口径相位分布以及单元相位随结构参数的变化关系，获得双极化器件的拓扑结构。由于、与、之间具有很好的极化不相关性，可以对x、y方向尺寸进行独立建模，极大地方便了设计并具有很高的设计自由度。方法是基于第三步得到的参数扫描结果并采用寻根算法在商业仿真软件里面进行自动化超表面阵元建模，确定各阵元沿x、y方向的结构参数，这里寻根算法以相位差值最小为依据进行遍历。

需要说明的是本发明双极化多功能器件设计方法适用于透、反射体系，凡是基于透射体系设计的单波束-四波束双极化高定向天线、波束偏折-四波束双极化高定向天线以及使用相关思想设计的双极化多功能天线都属于本专利的保护范围。而本发明实施例中仅以反射体系为例进行说明。

附图说明

图1为各向异性超表面单元的（a）拓扑结构与（b）尺寸示意图。

图2为各向异性超表面单元在四种不同贴片长度组合下的反射幅度、相位响应。

图3为各向异性超表面单元随l _x变化的反射相位响应。

图4为各向异性超表面单元在不同贴片宽度w下的反射幅度和相位响应。

图5为9、9.5、10和10.5GHz处各向异性超表面单元的反射幅度、相位响应随l ₁变化的曲线。

图6为各向异性超表面单元在f ₀=10 GHz处的反射幅度、相位响应随l _y变化的扫描曲线。单元结构参数为p _x=p _y=8.3 mm，r _x=r _y=8.1mm，d ₁=d ₂=0.25mm，w=1mm和l _x=2mm。

图7为单波束-四波束双极化高定向天线的口径相位分布。（a）x极化；（b）y极化。

图8为单波束-四波束双极化高定向性天线的拓扑结构，包括侧视图（上）和俯视图（下）。

图9为基于交替投影算法优化后的单馈四波束反射阵天线理论辐射方向图。

图10为单波束-四波束双极化高定向性天线的辐射方向图。（a）x极化；（b）y极化。

图11为单波束-四波束双极化高定向性天线的辐射增益随频率的变化曲线。

图12为波束偏折-四波束双极化高定向天线的口径相位分布。（a）x极化；（b）y极化。

图13为经过交替投影算法优化后的单馈四波束天线理论辐射方向图。

图14为波束偏折-四波束双极化高定向性天线的拓扑结构。

图15为波束偏折-四波束双极化高定向性天线的散射与辐射方向图。

图16为波束偏折-四波束双极化多功能器件的散射场图与增益曲线。

具体实施方式

实施例1：单波束-四波束双极化高定向天线

单波束-四波束双极化高定向天线的设计过程详见双极化多功能器件设计方法，其最终口径相位分布如图7所示，其中，x极化下微带阵口径上为抛物线相位分布，y极化下微带阵口径上为四波束相位分布。这里四波束口径相位分布根据事先预定的馈源位置F=224.1*0.56=125.5mm，微带反射阵的中心工作频率f ₀=10GHz，口径尺寸D=27*8.3=224.1mm，单元个数N*N=27*27以及四波束的空间俯仰角θ以及方位角φ并采用交替投影算法优化得到。这里超表面阵元采用上述各向异性超表面单元，四波束的空间指向为（φ ₁=0°，θ=40°），（φ ₁=90°，θ=40°），（φ ₁=180°，θ=40°）以及（φ ₁=270°，θ=40°）。

图8给出了本发明单波束-四波束双极化高定向天线的拓扑结构，天线由喇叭馈源和各向异性超表面组成，通过绕z轴旋转喇叭馈源可以改变双极化器件的极化特性，本发明通过对喇叭旋转90°获得天线的正交极化特性。喇叭馈源由长为a=22.86 mm，宽为b=10.16mm的标准波导BJ-100和口径为A*B=44*24 mm²的喇叭开口构成，整体高度为L=30 mm。天线的抛物梯度分别通过控制十字架水平贴片长度lx实现，而四波束梯度通过控制十字架竖直贴片长度ly实现，由于抛物梯度和四波束梯度均属于二维梯度，lx和ly在x、y方向均发生变化，同时微带阵单元结构参数lx和ly关于x、y轴呈轴对称分布且其余结构参数为p _x=p _y=8.3mm，r _x=r _y=8.1mm，d ₁=d ₂=0.25mm和w=1mm。

如图9所示，经过优化后双极化器件在f ₀=10GHz处呈现四个清晰的等幅均匀笔形波束且波束在四个方位角（φ ₁=0°，φ ₁=90°，φ ₁=180°和φ ₁=270°）上均精确指向θ=40°，同时旁瓣均被压制在-38dB以下。

图10给出了单波束-四波束双极化高定向性天线在五个典型频率处的仿真辐射方向图。可以看出，x极化下天线呈现出高定向单波束辐射且在f ₀=10GHz处具有峰值增益24.4dB，根据计算的口径效率为39.3%，而在9.5-10.5GHz范围内天线的增益波动较小，1dB增益带宽达到1GHz。y极化下天线在9.1，9.4，9.7，10和10.5GHz五个频率处均有效形成了四个笔形波束且波束均近似指向θ=40°方向，误差小于±0.5°，在中心工作频率9.7 GHz处峰值增益达到了17.5dB，口径效率达到=33.9%，同时从辐射功率密度来看四个波束的幅度一致性较好。单波束-四波束双极化高定向性天线的辐射增益随频率的变化曲线如图11所示。可以看出x极化时，单波束-四波束双极化高定向性天线的增益在9.5~10.5GHz范围内均大于23dB，增益变化小于1dB；y极化时，单波束-四波束双极化高定向性天线的等效增益（折合成单波束后的增益）在9.5-10.6GHz范围内均大于22dB，增益变化小于1dB，两种极化下1dB增益带宽分别达到1GHz和1.1GHz。

实施例2：波束偏折-四波束双极化高定向天线

波束偏折-四波束双极化高定向天线的设计过程详见双极化多功能器件设计方法，其最终口径相位分布如图12所示，其中x极化下超表面沿x方向为线性相位分布，超单元由Ns=7个单元组成且在10GHz处的线性相位梯度为60°，超周期为49.8mm，其理论波束偏折角度可计算为，其中λ _p为工作频率处的波长；y极化下超表面上为四波束相位分布，天线包含N*N=31*31个各向异性超表面单元，口径尺寸为D=257.3*257.3mm²，馈源位置为F=257.3*0.6=154.4mm，中心工作频率为f ₀=10GHz，四波束的空间位置为（φ ₁=0°，θ=30°）、（φ ₁=90°，θ=30°）、（φ ₁=180°，θ=30°）以及（φ ₁=270°，θ=30°）。四波束的口径相位分布同样采用交替投影算法优化得到。最终优化后的四波束天线理论辐射方向图如图13所示，可以看出天线在f ₀=10GHz处呈现四个清晰的等幅笔形波束且具波束在四个方位角（φ ₁=0°，φ ₁=90°，φ ₁=180°和φ ₁=270°）上均精确指向θ=30°，同时旁瓣均被压制在-30dB以下。

图14给出了波束偏折-四波束双极化高定向性天线的拓扑结构。波束偏折-四波束双极化高定向性天线同样由喇叭馈源激励，其激励方式与单波束-四波束双极化高定向性天线类似。在一个超周期内，十字架水平贴片长度沿x方向依次为lx=3.65mm，lx=3.2mm，lx=2.6mm，lx=2.31mm，lx=2.1mm和lx=1.83mm，由于线性梯度仅在一个维度方向上，lx沿y方向保持不变而ly沿x、y方向均发生变化，超表面阵单元结构参数lx仅关于x轴呈轴对称分布，而ly关于x、y轴均呈轴对称分布，其余结构参数为p _x=p _y=8.3 mm，r _x=r _y=8.1mm，d ₁=d ₂=0.25mm和w=1mm。

图15给出了波束偏折-四波束双极化高定向性天线的仿真散射和辐射方向图，其中x极化下采用平面波激励，y极化下采用喇叭馈源激励。可以看出，x极化下双极化器件在9.5，9.8，10.3和10.5GHz处有很纯的奇异偏折模式且偏折角度随频率满足，而0阶镜像反射模式和-1阶衍射模式均被有效抑制；y极化下，天线在空间四个预定方向（φ ₁=0°，θ=30°）、（φ ₁=90°，θ=30°）、（φ ₁=180°，θ=30°）以及（φ ₁=270°，θ=30°）附近形成了明显的高定向笔形波束且误差小于±0.5°。天线在9.8 GHz处具有处峰值增益且达到了19.3dB，口径效率计算为=38.1%，同时从辐射功率密度来看四波束的幅度一致性较好。

为进一步说明双极化器件的功能特性和带宽，图16给出了器件在x极化下的散射场频谱图与y极化下辐射增益变化曲线。可以看出x极化下双极化器件在9.6-10.7GHz范围内镜像散射和-1阶衍射能量很弱，被有效抑制，理论计算偏折角与仿真偏折角吻合的非常好，偏折角从8.5GHz的45.1°变化到11GHz的33.2°；y极化下双极化器件在9.1-10.7GHz范围内增益均高于23dB，在9.2-10.3GHz范围内增益均高于24dB，1dB增益带宽达到1.1GHz。两个极化下多功能器件均具有较宽的工作带宽，相对带宽达到11%。

Claims (3)

1.一种基于各向异性超表面的双极化多功能器件，其特征在于，由馈源和各向异性超表面组成，其中馈源与各向异性超表面的距离为F，即超表面焦距，馈源对各向异性超表面的投影位于各向异性超表面的中心；各向异性超表面由N*N个单元尺寸参数各不相同的各向异性超表面单元组成；所述各向异性超表面单元均由上、下两层完全相同的复合金属结构、高度均为h的两层介质板以及底部金属背板组成；其中，复合金属结构均由十字环嵌套十字架贴片构成；

所述各向异性超表面由不同结构参数的各向异性超表面单元根据特定相位梯度分布排列组成，特定相位梯度由预定实现的功能决定并通过改变单元的结构参数实现；

所述双极化多功能器件为单波束-四波束双极化高定向天线或波束偏折-四波束双极化高定向天线，两种天线均由喇叭馈源和各向异性超表面组成且中心工作频率均为f₀＝10GHz，其中：

单波束-四波束双极化高定向天线的超表面包含N*N＝27*27个各向异性超表面单元，口径尺寸为D＝27*8.3＝224.1mm，馈源位置F＝224.1*0.56＝125.5mm，四波束的空间指向为 以及

波束偏折-四波束双极化高定向天线的超表面包含N*N＝31*31个各向异性超表面单元，口径尺寸为D＝257.3*257.3mm²，馈源位置为F＝257.3*0.6＝154.4mm，四波束空间指向为 以及

喇叭馈源由长为a＝22.86mm，宽为b＝10.16mm的标准波导BJ-100和口径为A*B＝44*24mm²的喇叭开口构成，整体高度为L＝30mm；

所述双极化多功能器件通过对喇叭旋转90°获得天线的正交极化特性。

2.根据权利要求1所述的基于各向异性超表面的双极化多功能器件，其特征在于：

单波束-四波束双极化高定向天线的单波束功能是指喇叭沿x方向极化时超表面实现的高定向单波束辐射功能，由抛物相位梯度实现，具体地根据射线追踪法和相位补偿原理法由计算得到，式中m，n分别代表各单元在超表面中的横、列位置，p为单元周期，λ是工作波长，具体通过控制十字架水平贴片长度lx实现；

单波束-四波束双极化高定向天线的四波束功能是指喇叭沿y方向极化时超表面实现的高定向四波束辐射功能，其四波束相位梯度通过交替投影算法优化得到，具体通过控制十字架竖直贴片长度ly实现；

抛物梯度和四波束梯度均属于二维梯度，lx和ly在x、y方向均发生变化，同时微带阵单元结构参数lx和ly关于x、y均轴呈轴对称分布，其余结构参数为p_x＝p_y＝8.3mm，r_x＝r_y＝8.1mm，d₁＝d₂＝0.25mm和w＝1mm；

波束偏折-四波束双极化高定向天线的波束偏折功能是指喇叭沿x方向极化时超表面实现的波束指向倾斜辐射功能，由线性相位梯度来实现，具体通过超单元沿x方向周期排列组成，其中超单元由Ns个单元尺寸参数各不相同的各向异性超表面单元组成，其波束偏折角度由θ＝arcsinλ_p/(N_S-1)p_x计算得到，其中λ_p为工作频率处的波长；所述线性相位梯度在10GHz处为60°，超单元周期为49.8mm；

波束偏折-四波束双极化高定向天线的四波束功能是指喇叭沿y方向极化时超表面实现的高定向四波束辐射功能，与单波束-四波束双极化高定向天线的四波束功能类似，只是空间波束指向位置不同，四波束相位梯度同样采用交替投影算法优化得到；

在一个超周期内，十字架水平贴片长度沿x方向依次为lx＝3.65mm，lx＝3.2mm，lx＝2.6mm，lx＝2.31mm，lx＝2.1mm和lx＝1.83mm，由于线性梯度仅在一个维度方向上，lx沿y方向保持不变而ly沿x、y方向均发生变化，超表面阵单元结构参数lx仅关于x轴呈轴对称分布，而ly关于x、y轴均呈轴对称分布，其余结构参数为p_x＝p_y＝8.3mm，r_x＝r_y＝8.1mm，d₁＝d₂＝0.25mm和w＝1mm，这里p_x、p_y分别为单元沿x和y方向的周期，r_x、r_y分别为十字环沿x和y方向的长度，d₁、d₂分别为十字环的宽度以及十字环与十字架贴片的缝隙距离，w为十字架贴片的宽度。

3.一种如权利要求1或2所述的基于各向异性超表面的双极化多功能器件的设计方法，其特征在于具体步骤为：

第一步：根据正交极化下需要实现的电磁波调控功能，确定两个极化下器件口径上的相位分布；对于：

实现高定向辐射时的抛物线/面梯度m，n分别代表各单元在超表面中的横、列位置，p为单元周期长度，实现波束偏折时的线性梯度以及实现均匀多波束的多波束相位梯度，这里抛物相位梯度和线性相位梯度直接由公式计算得到，而多波束相位梯度根据交替投影算法优化得到；为确定上述相位分布，要预定器件的一些初始参数，包括馈源位置F，中心工作频率f₀，口径大小D与单元个数N＝D/p，四波束的空间俯仰角θ以及方位角

第二步：合理设计正交极化不相关超表面单元结构，使其满足幅度一致性好以及360°相位覆盖；

首先确定极化不相关单元的反射正交分量组合，对于单波束-四波束双极化器件，选择ξ_x(x)，ξ_y(x)，ξ_y(y)和ξ_x(y)；而对于波束偏折-四波束双极化器件，选择ξ_x(x)，ξ_y(y)和ξ_x(y)；然后根据确定的反射正交分量组合进行单元结构设计，使得改变y方向上的单元尺寸对ξ_x(x)和ξ_y(x)没有影响，改变x方向上的单元尺寸对ξ_y(y)和ξ_x(y)没有影响；

第三步：对超表面单元进行参数扫描分析，获得单元反射相位随结构参数的变化关系，这里以中心工作频率处的相位为参考，为提高后续结构建模的精度需要对扫描反射相位分别对频率和结构参数进行二次样条插值；

第四步：根据口径相位分布以及单元相位随结构参数的变化关系，获得双极化器件的拓扑结构；

由于ξ_x(y)、ξ_y(y)与ξ_y(x)、ξ_x(x)之间具有很好的极化不相关性，可以对x、y方向尺寸进行独立建模，方便设计并具有很高的设计自由度；方法是基于第三步得到的参数扫描结果并采用寻根算法在商业仿真软件里面进行自动化超表面阵元建模，确定各阵元沿x、y方向的结构参数，这里寻根算法以相位差值最小为依据进行遍历。