CN107039771B - 一种相位梯度超表面单元、超单元以及反射阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种相位梯度超表面单元、超单元以及反射阵列，超表面单元包括介质板，介质板包括第一正方形表面和与第一正方形表面相对的第二正方形表面，第一正方形表面上设置有S形金属贴片，第二正方形表面上设置有金属接地板。超单元包括2n个超表面单元，其中n为正整数，2n个超表面单元以第一正方形表面为正面顺序排列，2n个超表面单元中的S形金属贴片的缺口距离或缺口方向不同。反射阵列包括多个超单元，所述多个超单元以第一正方形表面为正面顺序排列。本发明实施例提供的相位梯度超表面单元、超单元以及反射阵列，可以提高电磁波调控的反射率，还可以改变电磁波的极化方向，具有极化偏转性能。

Description

一种相位梯度超表面单元、超单元以及反射阵列
技术领域
本发明实施例涉及本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种相位梯度超表面单元、超单元以及反射阵列。
背景技术
电磁波是电磁场的一种运动形态，变动的电会产生磁，变动的磁则会产生电，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。电磁波为横波，可用于探测、定位、通信，在应用时，经常需要对入射电磁波的反射角度进行调控。
超材料是指通过亚波长结构单元构成的、具有自然界材料所不具备的超常物理特性的新型人工复合结构或者复合材料，能够实现自然材料所不能实现的特性或者功能。超表面是超材料的二维平面情形，例如相位梯度超表面可以调控电磁波的反射或者折射路径，而具有相同单元结构的超表面可以实现空间滤波的功能。传统的光学元件都是利用在电磁波传播路径上连续相位积累来改变波束的传播方向，这使得其存在体积大，结构复杂的缺点。同传统的光学元件相比，相位梯度超表面可以在界面不同位置引入不同的相位突变，通过对这些相位突变进行设计，控制反射波束和折射波束的方向。在这种情况下，电磁波传播不再遵守经典的反射定律和折射定律，而是遵守广义反射定律和折射定律。这样通过设计亚波长超表面单元结构的尺寸实现对反射波和透射波的自由控制，极大地减小了器件的厚度和体积，其在现代隐身通信、电子对抗等领域都具有重要的应用价值。
现有技术中，超表面反射阵列只能在较窄的频段内实现对电磁波反射角度的调控，并且反射率也不是很理想，另外，现有的超表面反射阵列很多不能实现电磁波极化偏转的功能或是电磁波极化偏转率很低。因此研发一款反射率高，同时能够实现电磁波极化偏转的功能的反射阵列成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，一种相位梯度超表面单元、超单元以及反射阵列。
一方面，本发明实施例提供一种相位梯度超表面单元，包括介质板，所述介质板包括第一正方形表面和与所述第一正方形表面相对的第二正方形表面，所述第一正方形表面上设置有S形金属贴片，所述第二正方形表面上设置有金属接地板。
另一方面，本发明实施例提供一种超单元，包括2n个权利要求1-4任一项所述的超表面单元，其中n≥1，且为整数，所述2n个超表面单元以第一正方形表面为正面顺序排列，所述2n个超表面单元中的S形金属贴片的缺口距离或缺口方向不同，以使得对入射波调制的波形相位变化量为0度到360度。
再一方面，本发明实施例提供一种反射阵列，包括多个权利要求5-8任一项所述的超单元，所述多个超单元以第一正方形表面为正面顺序排列。
本发明实施例提供的相位梯度超表面单元、超单元以及反射阵列，通过在介质板上设置S形金属贴片，并改变S形金属贴片的缺口距离和缺口方向，使得对入射波调制的波形相位变化量为0度到360度。并且由相位梯度超表面单元组成的反射阵列，对反射电磁波具有很好地角度调控功能，同时提高了电磁波调控的反射率，还可以改变电磁波的极化方向，具有极化偏转性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中相位梯度超表面单元的结构示意图；
图2为本发明实施例中相位梯度超表面单元的主视图；
图3为本发明实施例中超单元的主视图；
图4为本发明实施例中超单元对电磁波反射调控的反射相位变化图；
图5为本发明实施例中的超单元对电磁波反射调控的反射率变化图；
图6为本发明实施例中反射阵列结构示意图；
图7为本发明实施例中又一反射阵列结构示意图；
图8为本发明实施例中反射阵列的电磁波角度调控电场示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中描述的相位梯度超表面单元是指基于相位梯度超表面的一种单元结构，简称超表面单元，超单元是指由超表面单元组成的一种结构，反射阵列是指包括上述超单元的一种用于电磁波反射角度调控的装置。
图1为本发明实施例中相位梯度超表面单元的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种相位梯度超表面单元包括介质板1，介质板1包括第一正方形表面和与所述第一正方形表面相对的第二正方形表面，所述第一正方形表面上设置有S形金属贴片2，所述第二正方形表面上设置有金属接地板3。
具体地，超表面单元包括介质板1，介质板1至少包括两个正方形表面即：第一正方形表面和与第一正方形表面相对的第二正方形表面，也就是说介质板1是长方体或立方体结构。本发明实施例中介质板1采用的是长方体结构，其中第一正方形表面和与第二正方形表面的宽l＝5mm，介质板1的厚度d＝3mm，此处介质板1的厚度不包括S形金属贴片2和金属接地板3的厚度，介质板1的介电常数为2.65，当然介质板1的具体参数可以根据实际使用情况进行设置，本分明实施例不作具体限定。在第一正方形表面上设置有S形金属贴片2，在与第一正方形表面相对的第二正方形表面上设置有金属接地板3，金属接地板3的长和宽与第二正方形表面相同。其中，介质板1的材质可以采用聚四氟乙烯，S形金属贴片2和金属接地板3可以根据实际使用情况选用金、银等金属，本发明实施例对介质板1、S形金属贴片2和金属接地板3的材质不作具体限定。
本发明实施例提供的相位梯度超表面单元，通过在介质板的正方形表面上设置S形金属贴片，可以改变电磁波的极化方向，实现了电磁波极化偏转的功能。
图2为本发明实施例中相位梯度超表面单元的主视图，如图2所示，在上述实施例的基础上，S形金属贴片2包括两个大小相同且缺口距离相同的圆形金属贴片。
具体地，S形金属贴片2包括两个圆形金属贴片，两个圆形金属贴片相切，大小相同，并且缺口距离g相同，其中缺口距离是指，过两个圆形金属贴片的切点，作一条与缺口的另一端相平行的直线，从缺口的另一端到所述直线的垂直距离即为缺口距离，具体参见图2中的缺口距离g。
在上述实施例的基础上，S形金属贴片2的几何中心与所述第一正方形表面的几何中心重合。
具体地，如图2所示，S形金属贴片2的几何中心为两个圆形金属贴片的切点，所述切点与介质板1的第一正方形表面的几何中心重合。
在上述实施例的基础上，S形金属贴片2的厚度和金属接地板3的厚度相同。
具体地，本发明实施例中S形金属贴片2的厚度和金属接地板3的厚度的均为0.018mm，具体使用时还可以根据实际情况设置S形金属贴片2的厚度和金属接地板3的厚度，本发明实施例不作具体限定。
本发明实施例提供的相位梯度超表面单元，通过在介质板的正方形表面上设置由两个大小相同且缺口距离相同的圆形金属贴片组成的S形金属贴片，可以改变电磁波的极化方向，实现了电磁波极化偏转的功能。
图3为本发明实施例中超单元的主视图，如图3所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供一种超单元，包括2n个超表面单元，其中n≥1，且为整数，所述2n个超表面单元以第一正方形表面为正面顺序排列，所述2n个超表面单元中的S形金属贴片的缺口距离或缺口方向不同，以使得对入射波调制的波形相位变化量为0度到360度。
具体地，超单元包括2n个顺序排列的超表面单元，其中n为正整数，如图3所示，2n个超表面单元均是以S形金属贴片所在的第一正方形表面为正面，并且其中2n个S形金属贴片的缺口距离或缺口方向不同，其中缺口方向不同是指缺口位于圆形金属贴片的位置不同，其中2n个S形金属贴片对入射波调制的波形相位变化量为0度到360度。本发明实施例中超单元包括6个上述超表面单元((1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6))，超单元的长度L＝30mm，具体使用时可以根据实际情况选择合适数量的超表面单元，本发明实施例不作具体限定。
本发明实施例提供的超单元，由上述多个超表面单元组成，并且多个超表面单元中的多个S形金属贴片对入射波调制的波形相位变化量覆盖了0度到360度，当电磁波入射到超单元上时，可以实现对电磁波反射角度的调控，并且反射率高，同时实现了电磁波极化偏转的功能。
在上述实施例的基础上，所述2n个超表面单元的前n个超表面单元中的S形金属贴片的缺口距离不同，并且第i+n个S形金属贴片的缺口尺寸与第i个S形金属贴片的缺口距离相同，其中1≤i≤n，且为整数。
具体地，如图3所示，本发明实施例中超单元包括6个上述超表面单元，因此就包括6个S形金属贴片，n＝3，前3个S形金属贴片的缺口距离不同，依次是l1＝0.20mm，l2＝1.41mm，l3＝2.40mm，并且第4个S形金属贴片的缺口距离与第1个S形金属贴片的缺口距离相同，第5个S形金属贴片的缺口距离与第2个S形金属贴片的缺口距离相同，第6个S形金属贴片的缺口距离与第3个S形金属贴片的缺口距离相同，即l4＝l1＝0.20mm，l5＝l2＝1.41mm，l6＝l3＝2.40mm。需要说明的是，缺口距离可以根据实际情况进行设置，本发明实施例不作具体限定。
本发明实施例提供的超单元，通过改变S形金属贴片的缺口距离，来改变S形金属贴片对入射波调制的波形相位变化量，提高对电磁波调制的反射率，并实现电磁波极化偏转的功能。
在上述实施例的基础上，所述第i+n个S形金属贴片的缺口方向与所述第i个S形金属贴片绕所述第i个S形金属贴片的几何中心旋转预设角度后的缺口方向相同。
具体地，如图3所示，本发明实施例中超单元包括6个上述超表面单元，因此就包括6个S形金属贴片，n＝3，其中第4个S形金属贴片的缺口方向与第1个S形金属贴片绕其几何中心旋转90度后的缺口方向相同，同样地，第5个S形金属贴片的缺口方向与第2个S形金属贴片绕其几何中心旋转90度后的缺口方向相同，第6个S形金属贴片的缺口方向与第3个S形金属贴片绕其几何中心旋转90度后的缺口方向相同。实际上，后3个S形金属贴片是前3个S形金属贴片绕其几何中心旋转90度后得到的。
在上述实施例的基础上，所述2n个S形金属贴片中的圆形金属贴片的内圆半径相等，外圆半径相等。
具体地，2n个超表面单元上的2n个S形金属贴片都是由两个大小相同的圆形金属贴片组成，并且每一个圆形金属贴片的内圆半径r1和外圆半径r2分别相等。本发明实施例中内圆半径r1都为1mm，外圆半径r2都为1.2mm。需要说明的是，其中内圆半径和外圆半径的具体数值可以根据实际情况进行设置，本发明实施例不作具体限定。
图4为本发明实施例中的超单元对电磁波反射调控的反射相位变化图，图中横坐标表示电磁波的频率，纵坐标表示反射相位。如图4所示，图中有六条线分别表示不同超表面单元对电磁波反射调控的反射相位变化，从图4中可以看出，当电磁波入射到由6个超表面单元组成的超单元时，在8.5-20GHz的频率范围内，相邻的超表面单元反射相位间隔都在60度左右，且超单元对电磁波反射调控的反射相位变化覆盖了0度到360度。
图5为本发明实施例中的超单元对电磁波反射调控的反射率变化图，图中横坐标表示电磁波的频率，纵坐标表示反射率。如图5所示，图中有6条线分别表示不同超表面单元的对电磁波反射调控的反射率的变化，但是其中第1条线与第4条线重合，第2条线与第5条线重合，第3条线与第6条线重合，因此图中实际上只能看到3条线。当电磁波入射到由6个超表面单元组成的超单元时，在8.5-20GHz的频率范围内，可以看出六个超表面单元都具有较高的的反射率。
本发明实施例提供的超单元，包括多个超表面单元，通过改变超表面单元上的S形金属贴片的缺口距离和缺口方向，来改变每一个超表面单元对入射波调制的波形相位变化量以及反射率，从而提高超单元对电磁波调制的反射率，并实现了电磁波极化偏转的功能。
图6为本发明实施例中反射阵列结构示意图，如图6所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供一种反射阵列，包括：多个超单元，所述多个超单元以第一正方形表面为正面顺序排列。
具体地，如图6所示，反射阵列包括24个上述超单元，并且每一个超单元都是以S形金属贴片所在的第一正方形表面为正面顺序排列，具体的超单元数量可以根据实际情况进行设置，本发明实施例不做具体限定。
在上述实施例的基础上，所述多个超单元以所述第一正方形表面为正面顺序排列成多行多列。
具体地，多个超单元以第一正方形表面为正面顺序排列成多行多列，如图6所示，24个超单元可以排列成12行2列，需要说明的是，反射阵列中的多个超单元还可以排列成其他行数和列数，如多行1列、1行多列等，本发明实施例不做具体限定。图7为本发明实施例中又一反射阵列结构示意图，如图7所示，反射阵列包括6个超单元，排列成6行1列。
图8为本发明实施例中反射阵列的电磁波角度调控电场示意图，本发明实施例采用频率为14GHz电磁波垂直入射到反射阵列上，如图8所示，本发明提供的反射阵列对反射电磁波具有很好地角度调控功能。需要说明的是，本发明实施例采用的是频率为14GHz电磁波垂直入射到反射阵列上，实际使用时，本发明实施例提供的反射阵列还可以对其他频率或入射角度的电磁波进行调控，本发明实施例不作具体限定。
本发明实施例提供的相位梯度超表面单元、超单元以及反射阵列，通过在介质板上设置S形金属贴片，并改变S形金属贴片的缺口距离和缺口方向，使得对入射波调制的波形相位变化量为0度到360度。并且由相位梯度超表面单元组成的反射阵列，对反射电磁波具有很好地角度调控功能，同时提高了电磁波调控的反射率，还可以改变电磁波的极化方向，具有极化偏转性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种相位梯度超表面单元，其特征在于，包括介质板，所述介质板的介电常数为2.65，且包括第一正方形表面和与所述第一正方形表面相对的第二正方形表面，所述第一正方形表面上设置有S形金属贴片，所述第二正方形表面上设置有金属接地板；
其中，所述S形金属贴片包括两个大小相同且相切的圆形金属贴片；所述圆形金属贴片具有缺口，所述缺口的一端为切点；所述圆形金属贴片的缺口的另一端到所述切点的切线的距离，与另一所述圆形金属贴片的缺口的另一端到所述切点的切线的距离相同。
2.根据权利要求1所述的超表面单元，其特征在于，所述S形金属贴片的几何中心与所述第一正方形表面的几何中心重合。
3.根据权利要求1所述的超表面单元，其特征在于，所述S形金属贴片的厚度和所述金属接地板的厚度相同。
4.一种超单元，其特征在于，包括2n个权利要求1-3任一项所述的超表面单元，其中n≥1，且为整数，所述2n个超表面单元以第一正方形表面为正面顺序排列，所述2n个超表面单元中的S形金属贴片的缺口距离或缺口方向不同，以使得对入射波调制的波形相位变化量为0度到360度。
5.根据权利要求4所述的超单元，其特征在于，所述2n个超表面单元的前n个超表面单元中的S形金属贴片的缺口距离不同，并且第i+n个S形金属贴片的缺口距离与第i个S形金属贴片的缺口距离相同，其中1≤i≤n，且为整数。
6.根据权利要求5所述的超单元，其特征在于，所述第i+n个S形金属贴片的缺口方向与所述第i个S形金属贴片绕所述第i个S形金属贴片的几何中心旋转预设角度后的缺口方向相同。
7.根据权利要求4-6任一项所述的超单元，其特征在于，所述2n个S形金属贴片中的圆形金属贴片的内圆半径相等，外圆半径相等。
8.一种反射阵列，其特征在于，包括多个权利要求4-7任一项所述的超单元，所述多个超单元以第一正方形表面为正面顺序排列。
9.根据权利要求8所述的反射阵列，其特征在于，所述多个超单元以所述第一正方形表面为正面顺序排列成多行多列。
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