CN110896169A - 一种微波段圆极化双功能各向异性电磁超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微波段圆极化双功能各向异性电磁超表面的设计方法。其单元为各向异性结构，将传播相位响应和几何相位响应相结合，通过合理设计和优化结构参数，能够实现单元在左旋圆极化和右旋圆极化垂直入射的电磁波照射下分别产生独立的反射相位。根据设计的相位分布将单元排布在二维平面上，就形成了各向异性超表面。由于该单元可以在左旋圆极化和右旋圆极化垂直入射条件下有独立的响应，因此由这种单元构成的电磁超表面可以在左旋圆极化和右旋圆极化垂直入射波照射下实现不同的功能，如双对称螺旋波和异常波束分离。本发明的优点是：可对微波段实现圆极化下的双功能，且结构简单，易于加工。
Description
技术领域：
本发明涉及一种新型人工电磁超表面，尤其涉及一种具有圆极化功能独立控制的各向异性电磁超表面。
背景技术：
超表面作为二维形式的超材料，通过将设计的亚波长单元周期性或非周期排列在二维平面上，能够实现对电磁波幅度，相位和极化的控制。相比于三维超材料，超表面的厚度为亚波长尺寸，拥有易于加工，低剖面和低损耗等特点。
通过Capasso教授在2011年提出的广义斯涅耳定律，在超表面引入不连续的相位梯度分布，通过合理设计超表面上的幅度和相位分布，能够实现许多功能：如异常反射，漫反射和螺旋波等。
之前设计的各向异性超表面主要针对线极化情况，即设计的各向异性超表面单元结构在x极化和y极化电磁波垂直入射时能呈现出独立的相位响应。因此当垂直入射的电磁波分别为x极化和y极化时，该各向异性超表面能够实现两种不同的功能。由于圆极化辐射在信号接收上的稳定性，其在天线，雷达，卫星通信领域应用广泛。因此在两个正交圆极化入射时，能够对电磁波实现独立控制的功能，具有非常重要的应用价值。本发明设计的各向异性单元结构将传播相位响应和几何相位响应相结合，能够在左旋圆极化和右旋圆极化电磁波垂直入射时实现独立的相位响应，因此能够在两个正交的圆极化实现不同的双功能，如双对称螺旋波和异常波束分离。
发明内容：
发明目的：本发明提供了一种具有圆极化独立调控功能的各向异性电磁超表面，通过设计左旋圆极化和右旋圆极化电磁波入射下不同的相位分布，可以在左旋圆极化电磁波和右旋圆极化电磁波垂直入射时实现不同的功能，如双对称螺旋波和异常波束分离。
技术方案：本发明的各向异性单元结构将传播相位响应和几何相位响应相结合，通过设计合理的单元几何参数和旋转角度，各向异性基本单元结构在左旋圆极化和右旋圆极化的垂直入射电磁波的照射下，其反射相位能够独立地实现0度到360度的控制。所述的各项异性单元结构由上、下两层复合金属结构，两层高度为h的介质板和底层金属背板组成。其中，上、下层复合金属结构均为十字架贴片，且上层复合金属结构的结构参数为下层复合金属结构的0.9倍。将设计的单元结构按照相应的相位分布排列在二维平面上，当左旋圆极化或右旋圆极化电磁波垂直入射时，所设计的超表面能够实现不同的功能。
有益效果：1、本发明的结构单元能够在左旋圆极化和右旋圆极化的垂直入射电磁波的照射下，其反射相位能够独立地实现0°到360°的控制。因此可以对圆极化电磁波进行更加灵活的控制，具体表现为通过将结构单元按一定相位分布排列在二维平面上，当左旋圆极化和右旋圆极化电磁波垂直入射时，能够独立实现不同的功能。2、本发明设计的各向异性单元的金属图案结构简单，在微波段采用印制电路板工艺，加工简单。
附图说明：
图1是各向异性超表面单元的三维视图。
图2是各向异性超表面单元的正视图(顶层)。
图3是各向异性超表面单元在设计的中心频率16GHz时，x(y)极化反射幅度和相位随lx(ly)长度的变化。
图4是左旋圆极化或右旋圆极化反射相位分别为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°时，对应的超表面单元的示意图。
图5是左旋圆极化电磁波垂直入射时，双螺旋波辐射对应的超表面相位分布。
图6是右旋圆极化电磁波垂直入射时，异常波束分离对应的超表面相位分布。
图7是左(右)旋圆极化电磁波垂直入射时实现双螺旋波辐射(异常波束分离)对应的超表面结构的正视图(顶层)。
图8是当图7所示的超表面在左旋圆极化电磁波垂直入射时，频率为16GHz时，左旋圆极化电磁波的归一化三维远场散射方向图。
图9是当图7所示的超表面在右旋圆极化电磁波垂直入射时，频率为16GHz时，右旋圆极化电磁波的归一化三维远场散射方向图。
图10是当图7所示的超表面在左旋圆极化电磁波垂直入射时，频率为16GHz时，xoz平面内左旋圆极化电磁波的归一化二维远场散射方向图。
图11是当图7所示的超表面在右旋圆极化电磁波垂直入射时，频率为16GHz时，yoz平面内右旋圆极化电磁波的归一化二维远场散射方向图。
在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。
具体实施方式：
下面结合附图，通过具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例：为了验证本发明的功能，在微波波段设计了各向异性电磁超表面单元结构。图1和图2给出了各向异性超表面单元结构的三维视图和正视图。其中从上往下分别是十字架金属贴片1、厚度为h的TRF-43介质层2、十字架金属贴片3、厚度为h的TRF-43介质层4和正方形金属基底5。其中单元周期p＝6mm，介质厚度h＝1.63mm，a＝1mm。其中，上、下层复合金属结构均为十字架贴片，且上层复合金属结构的结构参数为下层复合金属结构的0.9倍。本发明提出的各向异性超表面单元将传播相位响应和几何相位响应相结合。其中传播相位响应通过控制十字架水平贴片长度lx和垂直贴片长度ly来调节，而几何相位响应通过控制十字架贴片的相对于x轴的旋转角度α来调节。
为了能够实现对左旋圆极化和右旋圆极化电磁波反射相位的独立调控，已知需要的左旋圆极化反射相位
和左旋圆极化反射相位
传播相位
和单元旋转角度α可以通过以下公式得到：
其中传播相位
和
可以通过控制十字架水平贴片长度lx和垂直贴片长度ly来调控。图3给出了频率为16GHz时，lx(ly)的长度变化，反射电磁波的传播相位
的变化曲线。通过图3，可以调节lx(ly)的长度从而得到需要的传播相位
图4给出了左旋圆极化和右旋圆极化电磁波反射相位分别为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°时，对应的超表面单元的示意图。如图4的示例所示，通过调节参数lx、ly和α这三个参数就能实现在左旋圆极化和右旋圆极化电磁波垂直入射时，结构单元反射相位的独立控制。
为了得到在左旋圆极化电磁波垂直入射时实现双对称螺旋波辐射，以及在右旋圆极化电磁波垂直入射时实现异常波束分离，最终超表面单元的两个正交圆极化的相位分布如图5和图6所示，图5：左旋圆极化；图6：右旋圆极化。将各向异性单元结构根据设计的相位分布排列在二维平面上，可以得到如图7所示的超表面。
图8和图9给出了图7所示的超表面在左旋圆极化和右旋圆极化电磁波垂直入射时，频率为16GHz时的仿真三维远场散射方向图。图8的三维远场散射方向图显示，当左旋圆极化电磁波垂直入射时，散射电磁波辐射方向图为两个对称的螺旋波，且两个螺旋波被分离到xoz平面内与z轴夹角为31°的方向上，如图10中xoz平面内二维远场散射方向图所示。图9的三维远场散射方向图显示，当右旋圆极化电磁波垂直入射时，入射电磁波被分离且异常反射到yoz平面内与z轴夹角为31°的两个方向上，如图11中yoz平面内二维远场散射方向图所示。以上说明设计的超表面能够在左旋圆极化和右旋圆极化垂直入射时，实现两个独立功能的控制。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，同样的结构可以通过尺寸缩放而直接扩展到毫米波波段、红外、太赫兹以及可见光波段。并不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利覆盖的范围。
Claims (4)
1.一种微波段圆极化双功能各向异性电磁超表面，其特征在于：该超表面由设计的各向异性单元结构按照预先设计的相位分布在二维平面内排列而构成。
2.根据权利要求1所述的各向异性电磁超表面，其特征在于，所述的各向异性基本单元结构通过将传播相位响应和几何相位响应相结合，在左旋圆极化和右旋圆极化的垂直入射电磁波的照射下，其反射相位能够独立地实现0度到360度的控制。
3.根据权利要求1所述的各向异性电磁超表面，其特征在于，所述的各项异性单元结构由上、下两层复合金属结构，两层高度为h的介质板和底层金属背板组成。其中，上、下层复合金属结构均为十字架贴片，且上层复合金属结构的结构参数为下层复合金属结构的0.9倍。
4.根据权利要求1所述的各向异性电磁超表面，其特征在于，其可在左旋圆极化和右旋圆极化的垂直入射电磁波的照射下独立地实现各种功能，包括双对称螺旋波和异常波束分离等。
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