CN111129785A - 一种具有双功能的各向异性编码基本单元及超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双功能的各向异性编码超表面基本单元，包括依次设置的表面矩形金属贴片、介质板层和金属接地层；由于基本单元的金属接地层未完全覆盖整个介质板层的下表面，因此在不同极化的电磁波的照射下，可实现对y极化入射波的同极化反射，和x极化入射波的交叉极化传输；本发明中采用了不同尺寸的矩形金属贴片所构成的基本单元，其在y极电磁波照射下，可产生不同的反射相位响应，并且通过将具有不同相位响应的基本单元排列组成特定的周期性编码序列，可以获得具有不同偏转角度的反射波束。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种在微波段的具有双功能的各向异性编码基本单元及超表面。
技术背景
超材料是一种三维人工电磁材料，通过设计特定的结构，超材料可对电磁波产生独特的响应。但由于三维结构的高损耗和制造复杂，研究者们开始逐步关注二维结构的超表面，并且引入了相位突变。虽然超表面的厚度几乎可以忽略，但其在调控电磁波的幅度、相位和极化状态方面完全不亚于三维超材料。近些年，研究人员们提出了编码超表面的概念，其通过对超表面进行数字调控以实现独特的电磁响应。编码超表面的特征在于具有不同数字状态的基本单元，通过将单元以适当的方式进行排列，可以实现诸如异常反射、涡旋波束和全息图等功能。
随着超表面领域的发展，超表面为实现入射波不同偏转角度的完美反射提供了一种新方法，这不同于传统的光栅。根据广义反射定律和斯涅尔定律，通过在超表面上引入0°和360°之间的相移，来控制反射波的方向。然而，相位梯度超表面具有功率效率低的缺点。因此，除了广义反射定律和斯涅尔定律外，还需要考虑能量守恒以保证对电磁功率流的控制。此外，在实际设计中，研究者们还采用以下方法来实现完美反射：例如在超表面中引入有源和有损耗元素，使用辅助场，形成非局部超表面，甚至构造新颖的纳米结构等。
但是，上述设计仅集中在反射波光束偏转等单一功能上，故这些超表面的应用场景有限。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有双功能的各向异性编码基本单元及超表面，通过设计不同尺寸的表层矩形金属贴片，以实现覆盖360°的反射相位响应。并且将具有不同相位响应的基本单元排列组成特定的数字编码矩阵，从而获得具有不同偏转角度的反射波束。此外，基本单元采用局部金属地结构，因此其组成的编码超表面还能实现电磁波的传输。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有双功能的各向异性编码超表面基本单元，其特征在于：基本单元包括自上而下依次设置的表层矩形金属贴片、介质板层和金属接地层；所述表层矩形金属贴片贴附于介质板层上表面的中心；所述金属接地层位于介质板层下表面的中心。
进一步的，所述基本单元的周期长度a为14-16mm，基本单元的周期宽度b为3-5mm；所述表层矩形金属贴片的长度共有8种尺寸，分别为2.9-3.1mm、10.05-10.25mm、10.7-10.9mm、10.95-11.15mm、11.25-11.45mm、11.55-11.75mm、11.95-12.15mm和13.3-13.5mm，所述表层矩形金属贴片的宽度w为1.4-1.6mm；所述介质板层的厚度h为0.9-1.1mm，介电常数为4.1-4.5，损耗角正切为0.000-0.006；所述金属接地层的长度与基本单元的周期长度a，所述金属接地层的宽度与表层矩形金属贴片的宽度w相同。
优选的，所述基本单元的周期长度a为15mm，基本单元的周期宽度b为4mm；所述表层矩形金属贴片的长度共有8种尺寸，分别为3mm、10.15mm、10.8mm、11.05mm、11.35mm、11.65mm、12.05mm和13.4mm，所述表层矩形金属贴片的宽度w为1.5mm；所述介质板层的厚度h为1mm；所述金属接地层的长度与基本单元的周期长度a一致，所述金属接地层的宽度与表层矩形金属贴片的宽度w相同。
一种基本单元组成的超表面，所述超表面包括N×M个基本单元，N和M均为非零正整数，N×M个基本单元采用矩阵排列。
进一步的，所述超表面的基本单元共有8种基本单元状态；在正入射y极化电磁波的照射下，8种不同表层矩形金属贴片尺寸的基本单元，分别会产生8种数字态响应，8种数字态响应对应8种不同反射相位响应，8种数字态响应得到8个不同相位的数字态编码。
进一步的，8个数字态编码分别为“0”至“7”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。
进一步的，所述8个数字态编码“0”至“7”对应8种数字态响应，所述8种数字态响应分别对应的8种反射相位响应为157°、112°、67°、22°、-23°、-68°、-113°和-158°。
进一步的，8种基本单元状态中：“0”对应表层矩形金属贴片的长度为3mm，“1”对应表层矩形金属贴片的长度为10.15mm，“2”对应表层矩形金属贴片的长度为10.8mm，“3”对应表层矩形金属贴片的长度为11.05mm，“4”对应表层矩形金属贴片的长度为11.35mm，“5”对应表层矩形金属贴片的长度为11.65mm，“6”对应表层矩形金属贴片的长度为12.05mm，“7”对应表层矩形金属贴片的长度为13.4mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明区别于传统的利用等效媒质参数对超表面进行分析与设计的方案，从数字编码的角度分析和设计超表面，极大的简化了设计过程；
2.本发明通过设计不同尺寸的表层矩形金属贴片，使基本单元实现了覆盖360°的相位响应；
3.本发明采用了各向异性基本单元，从而实现电磁波的高效反射以及传输；
4. 本发明加工简单，便于实现，仅依靠简单的金属图样，在微波频段内易于制备加工。
附图说明
图1是本发明中基本单元的正面示意图；
图2是本发明中基本单元的反面结构示意图；
图3是本发明中基本单元的截面结构示意图；
其中：1-表层矩形金属贴片，2-介质板层，3-金属接地层；a为基本单元的周期长度以及金属接地层的长度；b为基本单元的周期宽度；c为表层矩形金属贴片的长度；w为表层矩形金属贴片的宽度以及金属接地层的宽度；h为介质板层的厚度；
图4是本发明中基本单元以及仿真结果，其中：图4（a）为基本单元的结构示意图，图4（b）是编码单元的反射相位响应，图4（c）和4（d）分别为编码单元同极化反射和交叉极化传输的幅度响应；
图5是超表面的4种编码图案，其中，图5（a）、5（b）、5（c）和5（d）是编码周期序列为“0011223344556677”、“000111222333444555666777”、“00001111222233334444555566667777”和 “0000000011111111222222223333333344444444555555556666666677777777”的编码图案示意图；
图6是超表面的同极化反射的远场仿真结果，其中，图6（a）、6（b）、6（c）和6（d）分别为四种编码图案在y极化平面波的照射下的远场仿真结果；
图7是超表面的交叉极化传输的远场仿真结果，其中：图7（a）、7（b）、7（c）和7（d）分别为四种编码图案在x极化平面波的照射下的远场仿真结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-3所示，一种具有双功能的各向异性编码超表面基本单元，基本单元包括自上而下依次设置的表层矩形金属贴片1、介质板层2和金属接地层3；所述表层矩形金属贴片1贴附于介质板层2上表面的中心；所述金属接底层3位于介质板层2下表面的中心。
所述基本单元的周期长度a为14-16mm，基本单元的周期宽度b为3-5mm；所述表层矩形金属贴片1的长度共有8种尺寸，分别为2.9-3.1mm、10.05-10.25mm、10.7-10.9mm、10.95-11.15mm、11.25-11.45mm、11.55-11.75mm、11.95-12.15mm和13.3-13.5mm，所述表层矩形金属贴片1的宽度w为1.4-1.6mm；所述介质板层2的厚度h为0.9-1.1mm，介电常数为4.1-4.5，损耗角正切为0.000-0.006；所述金属接地层3的长度与基本单元的周期长度a，所述金属接地层3的宽度与表层矩形金属贴片1的宽度w相同。
作为一个优选方案，所述基本单元的周期长度a为15mm，基本单元的周期宽度b为4mm；所述表层矩形金属贴片1的长度共有8种尺寸，分别为3mm、10.15mm、10.8mm、11.05mm、11.35mm、11.65mm、12.05mm和13.4mm，所述表层矩形金属贴片1的宽度w为1.5mm；所述介质板层2的厚度h为1mm；所述金属接地层3的长度与基本单元的周期长度a一致，所述金属接地层3的宽度与表层矩形金属贴片1的宽度w相同。
一种基本单元组成的超表面，所述超表面包括N×M个基本单元，N和M均为非零正整数，N×M个基本单元采用矩阵排列。
所述超表面的基本单元共有8种基本单元状态；在正入射y极化电磁波的照射下，8种不同表层矩形金属贴片1尺寸的基本单元，分别会产生8种数字态响应，8种数字态响应对应8种不同反射相位响应，8种数字态响应得到8个不同相位的数字态编码。其中，8个数字态编码分别为“0”至“7”，其分别表示y正入射电磁波下的反射相位数字态。
具体而言，所述8个数字态编码“0”至“7”对应8种数字态响应，所述8种数字态响应分别对应的8种反射相位响应为157°、112°、67°、22°、-23°、-68°、-113°和-158°。
具体而言，8种基本单元状态中：“0”对应表层矩形金属贴片1的长度为3mm，“1”对应表层矩形金属贴片1的长度为10.15mm，“2”对应表层矩形金属贴片1的长度为10.8mm，“3”对应表层矩形金属贴片1的长度为11.05mm，“4”对应表层矩形金属贴片1的长度为11.35mm，“5”对应表层矩形金属贴片1的长度为11.65mm，“6”对应表层矩形金属贴片1的长度为12.05mm，“7”对应表层矩形金属贴片1的长度为13.4mm。
在本发明中，以8种不同金属贴片尺寸的超表面单元作为数字态编码 “0”至“7”单元，通过设计不同的编码图案，以实现对不同极化方向的正入射电磁波的调控。
如图4所示，基本单元采用了局部金属地结构；由图4（b）可知，在y极化平面波的照射下，8种编码单元的反射相位响应以45°为间隔，覆盖了360°的相位范围。在图4（c）和4（d）中，由编码单元的同极化反射幅度响应和交叉极化传输幅度响应可知，单元在y极化平面波照射下可实现高效的反射，而在x极化平面波照射下可实现有效的传输。
如图5所示，四种编码图案的超表面皆包含了18×70个编码单元；沿y方向，单元均具有相同的数字态编码，并且超表面具有连续的金属接地层；而沿x方向，单元的数字态编码有所不同，同时超表面的金属接地层则不再连续。
如图6所示，由y极化正入射波作为激励时，四种编码图案的超表面产生了四种不同的远场结果。由于编码图案的序列均不同，因此其周期也都不同，故根据斯涅尔定律，能够产生四种不同偏转角度的同极化反射波束。
如图7所示，由于超表面在x方向不具有连续的金属接地层，所以在x极化正入射平面波的照射下，超表面可以允许入射波的传输，并转换为其正交的极化方向。由图7（a）、7（b）、7（c）和7（d）可知，四种编码图案的超表面均能对入射波进行高效地传输。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有双功能的各向异性编码超表面基本单元，其特征在于：基本单元包括自上而下依次设置的表层矩形金属贴片（1）、介质板层（2）和金属接地层（3）；所述表层矩形金属贴片（1）贴附于介质板层（2）上表面的中心；所述金属接地层（3）位于介质板层（2）下表面的中心。
2.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期长度a为14-16mm，基本单元的周期宽度b为3-5mm；所述表层矩形金属贴片（1）的长度共有8种尺寸，分别为2.9-3.1mm、10.05-10.25mm、10.7-10.9mm、10.95-11.15mm、11.25-11.45mm、11.55-11.75mm、11.95-12.15mm和13.3-13.5mm，所述表层矩形金属贴片（1）的宽度w为1.4-1.6mm；所述介质板层（2）的厚度h为0.9-1.1mm，介电常数为4.1-4.5，损耗角正切为0.000-0.006；所述金属接地层（3）的长度与基本单元的周期长度a一致，所述金属接地层（3）的宽度与表层矩形金属贴片（1）的宽度w相同。
3.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期长度a为15mm，基本单元的周期宽度b为4mm；所述表层矩形金属贴片（1）的长度共有8种尺寸，分别为3mm、10.15mm、10.8mm、11.05mm、11.35mm、11.65mm、12.05mm和13.4mm，所述表层矩形金属贴片（1）的宽度w为1.5mm；所述介质板层（3）的厚度h为1mm；所述金属接地层（3）的长度与基本单元的周期长度a一致，所述金属接地层（3）的宽度与表层矩形金属贴片（1）的宽度w相同。
4.一种根据权利要求1-4任一所述的基本单元组成的超表面，其特征在于：所述超表面包括N×M个基本单元，N和M均为非零正整数，N×M个基本单元采用矩阵排列。
5.根据权利要求5所述的超表面，其特征在于：所述超表面的基本单元共有8种基本单元状态；在正入射y极化电磁波的照射下，8种不同表层矩形金属贴片（1）尺寸的基本单元，分别会产生8种数字态响应，8种数字态响应对应8种不同反射相位响应，8种数字态响应得到8个不同相位的数字态编码。
6.根据权利要求5所述的一种具有多功能的各向异性编码超表面基本单元组成的超表面，其特征在于：8个数字态编码分别为“0”至“7”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。
7.根据权利要求5所述的一种具有双功能的各向异性编码超表面基本单元组成的超表面，其特征在于：8个数字态编码“0”至“7”对应8种数字态响应，所述8种数字态响应分别对应的8种反射相位响应为157°、112°、67°、22°、-23°、-68°、-113°和-158°。
8.根据权利要求5所述的一种具有双功能的各向异性编码超表面基本单元组成的超表面，其特征在于：8种基本单元状态中：“0”对应表层矩形金属贴片（1）的长度为3mm，“1”对应表层矩形金属贴片（1）的长度为10.15mm，“2”对应表层矩形金属贴片（1）的长度为10.8mm，“3”对应表层矩形金属贴片（1）的长度为11.05mm，“4”对应表层矩形金属贴片（1）的长度为11.35mm，“5”对应表层矩形金属贴片（1）的长度为11.65mm，“6”对应表层矩形金属贴片（1）的长度为12.05mm，“7”对应表层矩形金属贴片（1）的长度为13.4mm。
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