CN113113778B - 基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面，包括双层手性结构和四层方形贴片结构，双层手性结构反射左旋圆极化波并透射右旋圆极化波，利用几何相位原理旋转双层手性结构的金属层来控制左旋圆极化反射波的波前，利用传播相位原理调节双层手性结构和四层方形贴片结构的金属层尺寸来控制右旋圆极化透射波的波前；根据所需功能对应的超表面相位分布，选择并排布相应的圆极化透反选择性单元，使反射的左旋圆极化波和透射的右旋圆极化波实现不同的效果；当任意线极化波入射时，上述双功能超表面可同时产生左旋圆极化波和右旋圆极化波入射的效果，该发明提升了超表面的适用性和功能集成性，在成像、探测和通信等方面都有重要的应用前景。

Description

基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面及其调控方法

技术领域

本发明属于电磁材料技术领域，涉及一种基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面及其调控方法。

背景技术

超表面是由人工排布的亚波长单元所构成的平面结构，其不仅可以灵活地调控电磁波的幅值、相位和极化状态，而且具备厚度薄、损耗小、加工方便等优势，因此其在超透镜、涡旋波生成器、波束偏折器、人工表面等离激元耦合器等器件中展现出重要的应用。而现代电子信息系统的集成化发展更需要单一的平板器件能够实现两个或者多个功能，因此多功能超表面越来越受到研究者们的关注。

然而，现有的多功能超表面往往只能在半空间内对有限极化状态的入射波发挥效果且不同功能无法在单一入射条件下同时生成，这极大地阻碍了多功能超表面适用性和利用率地进一步提升，限制了其实际的应用范围。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面及其调控方法，使左旋圆极化波和右旋圆极化波分别在反射和透射过程中实现相互独立的功能，由于任意的线极化波都可以分解为等比例的左旋圆极化波和右旋圆极化波，因此当任意线极化波入射时，上述两种不同功能可同时生成。

为此，本发明的第一个目的是提供一种基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面，所述双功能超表面由多个圆极化透反选择性单元排布构成，每个圆极化透反选择性单元由双层手性结构和位于所述双层手性结构下方的四层方形贴片结构构成；

所述双层手性结构由上至下依次为第一金属结构、第一介质、第二金属结构和第二介质；所述第一金属结构和第二金属结构结构和尺寸均相同，且上下位置成角度设置；相邻的两个所述第一金属结构之间成角度设置，且尺寸不同；

所述四层方形贴片结构由上至下依次为第三金属结构、第三介质、第四金属结构、第四介质、第五金属结构、第五介质和第六金属结构；

所述第三金属结构、第四金属结构、第五金属结构和第六金属结构结构和尺寸均相同，均由方形贴片和位于所述方形贴片外围的方形框构成，且上下位置对应；相邻的两个所述方形贴片和方形框尺寸不同。

优选地，所述多个圆极化透反选择性单元的周期为7mm。

优选地，所述第一金属结构和第二金属结构均为长方形，且所述第一金属结构和第二金属结构之间所成夹角为60°。

优选地，所述第一介质和所述第二介质均为厚度为2mm的F4B介质基板。

优选地，所述第三介质、第四介质和第五介质均为厚度为1mm的F4B介质基板。

优选地，所述F4B介质基板的相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

本发明的第二个目的是提供上述基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面的调控方法，括以下步骤：

S1、通过仿真软件同时扫描多组数据值，每组所述数据值包括第一金属结构的长度和宽度值、方形贴片长度和方形框宽度值，选定其中的满足以下条件的n组数据值：每相邻的两个圆极化透反选择性单元之间存在对右旋圆极化波的同极化透射相位差，n个圆极化透反选择性单元的透射相位可以覆盖360°；

S2、根据右旋圆极化波入射时的透射功能推导计算所述双功能超表面上每个位置的圆极化透反选择性单元对应的右旋圆极化波同极化透射相位，按照透射相位需求，从S1中的n组数据值中选择对应的圆极化透反选择性单元进行排布；推导公式如式1所示：

式1中，

为右旋圆极化波入射时透射聚焦的超表面相位分布，k₀为自由空间中电磁波在14GHz时的波数，F_t为聚焦焦点距离超表面的垂直距离，x和y分别为位置坐标；

S3、根据左旋圆极化波入射时的反射功能推导计算所述双功能超表面上每个位置的圆极化透反选择性单元对应的左旋圆极化波同极化反射相位φ(x,y)，按照此相位需求对S2中每个位置的圆极化透反选择性单元的第一金属结构和第二金属结构同时旋转相应角度θ，推导公式分别如式2和式3所示：

φ(x,y)＝l_r·arctan(y/x) (2)

φ(x,y)＝2θ (3)

式2中，l_r为反射量子数，x和y分别为位置坐标；式3为左旋圆极化波入射时反射产生涡旋波所需的超表面相位分布与旋转角度θ之间的关系，式3中的θ为第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)同时旋转的角度。

与现有技术相比较，本发明具有以下优势：

(1)本发明提供的双功能超表面，可使左旋圆极化波和右旋圆极化波分别在反射半空间和透射半空间中生成相互独立的功能，由于任意的线极化波都可以分解为等比例的左旋圆极化波和右旋圆极化波，因此当任意线极化波入射时，上述双功能超表面可同时产生左旋圆极化波和右旋圆极化波入射的效果，提升了超表面的适用性和集成性。

(2)本发明通过设计圆极化透反选择性单元，使两种功能在不同的半空间中实现，且分别利用旋转结构方位引入的几何相位和改变结构尺寸引入的传播相位来调控左旋圆极化反射波和右旋圆极化透射波的波前，极大地降低了两种不同功能间的相互干扰。

(3)本发明提供的圆极化透反选择性单元可灵活地改变左旋圆极化波的同极化反射相位和右旋圆极化波的同极化透射相位，而不同相位排布的超表面可实现不同的电磁功能(如波束偏折、波束聚焦、涡旋波生成等)，有效拓宽了超表面的应用范围。

(4)本发明设计结构简单，可采用成熟的印刷电路板技术进行加工，制备方便且成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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为本发明实施例提供的基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面示意图。

图2为本发明实施例提供的圆极化透反选择性单元的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的双层手性结构的两层金属旋转角度θ和旋转方向的示意图，其中：(a)是最上层金属旋转示意图，(b)是第二层金属旋转示意图。

图4为本发明实施例提供的不同旋转角θ下圆极化透反选择性单元在14GHz时对右旋圆极化波的同极化透射幅值和相位以及对左旋圆极化波的同极化反射幅值和相位的仿真结果。

图5为本发明实施例提供的24个不同圆极化透反选择性单元的仰视图和它们在14GHz时对右旋圆极化波的同极化透射幅值和相位以及对左旋圆极化波的同极化反射幅值的仿真结果。

图6为本发明实施例提供的双功能超表面在14GHz时功能实现的仿真结果，其中：(a)是左旋圆极化波入射下z＝200mm处xoy平面上电场分量E_x的相位分布图，(b)是右旋圆极化波入射下xoz平面上电场分量E_x的分布图，(c)是x极化波入射下z＝200mm处xoy平面上电场分量E_x的相位分布图，(d)是x极化波入射下xoz平面上电场分量E_x的分布图，(e)是y极化波入射下z＝200mm处xoy平面上电场分量E_x的相位分布图，(f)是y极化波入射下xoz平面上电场分量E_x的分布图。

图7为本发明实施例提供的样品照片。

图8为本发明实施例提供的近场测试实验装置结构图。

图9为本发明实施例提供的双功能超表面在14GHz时功能实现的实验结果，其中：(a)是x极化波入射下z＝200mm处xoy平面上电场分量E_x的相位分布图，(b)是x极化波入射下xoz平面上电场分量E_x的分布图，(c)是y极化波入射下z＝200mm处xoy平面上电场分量E_x的相位分布图，(d)是y极化波入射下xoz平面上电场分量E_x的分布图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参照图1，为本发明实施例中提供的一种基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面1，所述双功能超表面1由19×19个不同的圆极化透反选择性单元10组成，其在左旋圆极化波入射下反射生成量子数l_r＝1的涡旋波，在右旋圆极化波入射下透射聚焦于F_t＝-100mm处，而在任意线极化波入射下同时产生反射l_r＝1的涡旋波和透射聚焦于F_t＝-100mm的效果。

图2为圆极化透反选择性单元的结构示意图，参照图2，所述结构为圆极化透反选择性单元10，单元周期p＝7mm，其包括双层手性结构101和位于其下方的四层方形贴片结构102。

双层手性结构101由两层金属结构1011、1013和两层介质1012、1014组成，两层金属结构1011、1013尺寸相同，长和宽均分别为m和n，夹角α＝60°，两层介质1012、1014均是厚度为d₁＝2mm的F4B介质基板，其相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

四层方形贴片结构102由四层相同的金属结构(1021、1023、1025、1027)和三层相同的介质(1022、1024、1026)组成，金属结构(1021、1023、1025、1027)的边长和外环的宽度分别为l和w，三层介质(1022、1024、1026)均是厚度为d₂＝1mm的F4B介质基板，其相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

上述双功能超表面的调控方法具体如下：

S1、通过仿真软件同时扫描多组数据值，每组所述数据值包括第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)的长度和宽度值、方形贴片长度和方形框宽度值，选定其中的满足以下条件的n组数据值：每相邻的两个圆极化透反选择性单元(10)之间存在对右旋圆极化波的同极化透射相位差，n个圆极化透反选择性单元(10)的透射相位可以覆盖360°；

S2、根据右旋圆极化波入射时的透射功能推导计算所述双功能超表面上每个位置的圆极化透反选择性单元(10)对应的右旋圆极化波同极化透射相位，按照透射相位需求，从S1中的n组数据值中选择对应的圆极化透反选择性单元(10)进行排布；推导公式如式1所示：

式1中，

为右旋圆极化波入射时透射聚焦的超表面相位分布，k₀为自由空间中电磁波在14GHz时的波数，F_t为聚焦焦点距离超表面的垂直距离，x和y分别为位置坐标；

S3、根据左旋圆极化波入射时的反射功能推导计算所述双功能超表面上每个位置的圆极化透反选择性单元(10)对应的左旋圆极化波同极化反射相位φ(x,y)，按照此相位需求对S2中每个位置的圆极化透反选择性单元(10)的第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)同时旋转相应角度θ，推导公式分别如式2和式3所示：

φ(x,y)＝l_r·arctan(y/x) (2)

φ(x,y)＝2θ (3)

式2中，φ(x,y)为左旋圆极化波入射时反射产生涡旋波所需的超表面相位分布，l_r为反射量子数，x和y分别为位置坐标；

式3为左旋圆极化波入射时反射产生涡旋波所需的超表面相位分布与旋转角度θ之间的关系，式3中的θ为第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)同时旋转的角度。

图3为双层手性结构的两层金属旋转角度θ和旋转方向的示意图，图4为不同旋转角θ下圆极化透反选择性单元在14GHz时对右旋圆极化波的同极化透射幅值和相位以及对左旋圆极化波的同极化反射幅值和相位的仿真结果。参照图3和图4，可以看出当同时旋转双层手性结构101的两层金属(1011、1013)任意角度θ时，圆极化透反选择性单元10对右旋圆极化波的同极化透射幅值和相位以及对左旋圆极化波的同极化反射幅值几乎保持不变，而左旋圆极化波入射时同极化反射相位变化则与旋转角度θ保持大约2倍的关系，与几何相位的变化规律一致。因此，可以根据左旋圆极化波入射时的反射功能推导计算双功能超表面1每个位置单元10对应的左旋圆极化波入射时同极化反射相位，按照此相位需求对最上两层的金属(1011、1013)旋转特定角度θ，并且旋转的过程并不影响右旋圆极化波透射功能的设计。需要说明的是，根据反射功能得到左旋圆极化波入射时反射产生涡旋波所需的超表面相位分布φ(x,y)的具体推导过程为：φ(x,y)＝l_r·arctan(y/x)(2)其中，l_r为反射量子数，x和y分别是位置坐标，根据反射左旋圆极化波的同极化反射相位变化与旋转角度θ的关系推算出最上两层的金属(1011、1013)旋转特定角度θ，具体推导公式为：φ(x,y)＝2θ，其中，θ为第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)同时旋转的角度。

图5为24个不同圆极化透反选择性单元的仰视图和它们在14GHz时对右旋圆极化波的同极化透射幅值和相位以及对左旋圆极化波的同极化反射幅值的仿真结果。具体参照图5可以看出，通过优化每个圆极化透反选择性单元10的结构参数m、n、l和w，挑选出24个不同的圆极化透反选择性单元10，每相邻两个圆极化透反选择性单元10对右旋圆极化波的同极化透射相位差为15°，24个圆极化透反选择性单元的透射相位可以覆盖360°。因此，根据右旋圆极化波入射时的透射功能推导计算双功能超表面1每个位置单元10对应的右旋圆极化波同极化透射相位，按照此相位需求从24个单元10中选择对应的单元10进行排布。同时可以看出所选24个单元10在左旋圆极化波和右旋圆极化波入射时分别有较高的同极化反射幅值和同极化透射幅值，保证了实现功能的效率能维持在较高的水平。

图6为双功能超表面在14GHz时功能实现的仿真结果，从图6(a)可以看出，当左旋圆极化波照射到所述双功能超表面1，会反射为量子数l_r＝1的涡旋波。从图6(b)可以看出，当右旋圆极化波照射到所述双功能超表面1，会透射聚焦在F_t＝-100mm处。从图6(c)、6(d)、6(e)和6(f)可以看出，当x极化波或y极化波照射到所述双功能超表面1，会同时产生反射l_r＝1的涡旋波和透射聚焦于F_t＝-100mm两种效果，因此可以说明任意线极化波均可以生成这两种效果。

参照图7和图8，加工制作与仿真模型完全相同的样本，并对其进行近场测试。从图9(a)-(d)可以看出，当x极化波或y极化波照射到所述样品上时，会同时反射l_r＝1的涡旋波和透射焦点为F_t＝-100mm的聚焦波束，进一步证明任意线极化波入射到本发明上时，可以同时地在反射半空间和透射半空间产生两种独立的功能。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但在本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面，其特征在于，其是由多个圆极化透反选择性单元(10)排布构成的阵列结构，每个所述圆极化透反选择性单元(10)均由双层手性结构(101)和位于所述双层手性结构(101)下方的四层方形贴片结构(102)构成；

所述双层手性结构(101)由上至下依次为第一金属结构(1011)、第一介质(1012)、第二金属结构(1013)和第二介质(1014)；所述第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)结构和尺寸均相同，且上下位置成固定角度设置；相邻的两个所述第一金属结构(1011)之间成角度设置，且尺寸不同；

所述四层方形贴片结构(102)由上至下依次为第三金属结构(1021)、第三介质(1022)、第四金属结构(1023)、第四介质(1024)、第五金属结构(1025)、第五介质(1026)和第六金属结构(1027)；

所述第三金属结构(1021)、第四金属结构(1023)、第五金属结构(1025)和第六金属结构(1027)结构和尺寸均相同，且上下位置对应，均由方形贴片和位于所述方形贴片外围的方形框构成；水平方向上相邻的两个所述方形贴片长度和方形框宽度分别不同。

2.根据权利要求1所述的基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面，其特征在于，所述多个圆极化透反选择性单元(10)的周期为7mm。

3.根据权利要求1所述的基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面，其特征在于，所述第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)均为长方形，且所述第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)之间所成夹角为60°。

4.根据权利要求1所述的基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面，其特征在于，所述第一介质(1012)和所述第二介质(1014)均为厚度为2mm的F4B介质基板。

5.根据权利要求1所述的基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面，其特征在于，所述第三介质(1022)、第四介质(1024)和第五介质(1026)均为厚度为1mm的F4B介质基板。

6.根据权利要求4或5所述的基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面，其特征在于，所述F4B介质基板的相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

7.根据权利要求1所述的基于圆极化透反选择性结构的双功能超表面的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过仿真软件同时扫描多组数据值，每组所述数据值包括第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)的长度和宽度值、方形贴片长度和方形框宽度值，选定其中的满足以下条件的n组数据值：每相邻的两个圆极化透反选择性单元(10)之间存在对右旋圆极化波的同极化透射相位差，n个圆极化透反选择性单元(10)的透射相位覆盖360°；

S2、根据右旋圆极化波入射时的透射功能推导计算所述双功能超表面上每个位置的圆极化透反选择性单元(10)对应的右旋圆极化波同极化透射相位，按照透射相位需求，从S1中的n组数据值中选择对应的圆极化透反选择性单元(10)进行排布；推导公式如式1所示：

式1中，

为右旋圆极化波入射时透射聚焦的超表面相位分布，k₀为自由空间中电磁波在14GHz时的波数，F_t为聚焦焦点距离超表面的垂直距离，x和y分别为位置坐标；

S3、根据左旋圆极化波入射时的反射功能推导计算所述双功能超表面上每个位置的圆极化透反选择性单元(10)对应的左旋圆极化波入射时反射产生涡旋波所需的超表面相位分布φ(x,y)，按照此相位需求对S2中每个位置的圆极化透反选择性单元(10)的第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)同时旋转相应角度θ，推导公式分别如式2和式3所示：

φ(x,y)＝l_r·arctan(y/x) (2)

φ(x,y)＝2θ (3)

式2中，l_r为反射量子数，x和y分别为位置坐标；式3为左旋圆极化波入射时反射产生涡旋波所需的超表面相位分布与旋转角度θ之间的关系，式3中的θ为第一金属结构(1011)和第二金属结构(1013)同时旋转的角度。

Images