CN113258294B - 一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面 - Google Patents
一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，涉及编码超表面技术领域。本发明是为了解决现有编码超表面在全空间调控电磁波方面存在级联层数多以及工作频带窄的问题。本发明编码单元包括十字形金属层和矩形金属层，十字形金属层的金属条沿其长度方向设有条形缝隙，两个金属条的中点相交且构成十字形，矩形金属层能够覆盖介质层下表面，矩形金属层开有矩形环状的镂空结构，该镂空结构相对的两边中点通过条形开口连通，十字形金属层、矩形金属层和介质层的几何中心重叠。
Description
技术领域
本发明属于编码超表面技术领域。
背景技术
超材料是一类具有特殊性质的人造材料，它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是天然材料和传统材料无法实现的，因此超材料由于其特殊的电磁特性得到了广泛的关注。但是，由于超材料复杂的结构和加工制造的困难性，使其不适合实际应用，进而导致其应用前景因受到了严重的限制。
超表面是超材料的二维对应物，能够任意控制电磁波的振幅、相位和极化。这种超表面能够定制出亚波长厚度的任意波前，具有低损耗、低剖面和易于制作等优点。因此，在不同的电磁频谱范围内，大量新颖的超表面的应用已经被证明，例如异常反射或折射、聚焦、产生涡旋光束、全息图、甚至解决电磁污染等。
尽管现有技术已经在研究超表面方面取得了显著的成就，但到目前为止，仍有很大的空间有待开发。例如，大多数超表面被设计成在反射模式或传输模式下操纵电磁波，而传输模式或反射模式只利用了一半的电磁空间。为了满足现代技术对多功能、大信息容量、高速电磁设备日益增长的需求，将传输和反射电磁波的操作功能集成到同一个设备中显然是技术突破的重点。实际上，某些超表面可以同时调控透射波和反射波的波阵面。例如，最初提出的V形谐振器可以通过在波长范围内引入突变相移，从而获得新的自由度，同时实现异常反射和折射现象。然而，这些超表面以相关的相位梯度操纵透射波和反射波，导致在超表面两侧的多功能任意波前操纵受到限制。
2020年，东南大学的崔铁军教授提出一种可重构的编码超表面用于实现全息成像。该编码超表面是由四层十字形贴片和五层介质层组成。在不同极化电磁波的激励下，编码超表面在9.7GHz处能够实现对电磁波传输模式和反射模式的独立控制，从而在全空间实现全息图像“X”和“Y”。尽管利用编码超表面实现全空间全息成像已经取得了巨大的发展，但是在现有的方案中还存在一些问题，例如：编码单元的体积较大、层数较多、工作频带窄(仅能在中心频率处实现全空间的电磁波调控)等。
发明内容
本发明是为了解决现有编码超表面在全空间调控电磁波方面存在级联层数多以及工作频带窄的问题，现提供一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面。
一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，包括多个呈阵列排布的超表面单元，每个超表面单元均包括：编码单元和矩形的介质层，编码单元包括位于介质层上表面的十字形金属层和位于介质层下表面的矩形金属层，十字形金属层包括两个金属条，所述金属条沿其长度方向设有条形缝隙，两个金属条的中点相交且构成十字形，一个金属条与介质层的一条边平行，矩形金属层为能够覆盖介质层下表面的金属片，该金属片的中心位置开有矩形环状的镂空结构，该镂空结构相对的两边中点通过条形开口连通，镂空结构的一条边与介质层的一条边平行，十字形金属层、矩形金属层和介质层的几何中心重叠。
上述十字形金属层和矩形金属层的材料均为铜，电导率均为5.8×107sm-1。十字形金属层和矩形金属层厚度均为0.018mm，金属条的条形缝隙宽度和条形开口宽度均为0.5mm。
上述介质层的相对介电常数为3.5，损耗正切为0.001。介质层的厚度为2mm。介质层表面为正方形，该正方形的边长为10mm。
进一步的，上述一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，在垂直入射的x极化电磁波激励条件下，调整镂空结构相对的两条边和一个金属条的长度，使得单层宽频带幅度编码超表面能够在反射工作模式为9.7GHz～11.2GHz频带内实现全息成像，上述能够被调整的镂空结构的两条边和一个金属条相互垂直，且该金属条与条形开口相互平行。
进一步的，上述一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，在垂直入射的y极化电磁波激励条件下，调整镂空结构相对的两条边和一个金属条的长度，使得单层宽频带幅度编码超表面能够在传输工作模式为9.7GHz～11.2GHz频带内实现全息成像，上述能够被调整的镂空结构的两条边和一个金属条相互垂直，且该金属条与条形开口也相互垂直。
上述两个金属条呈一体式结构。
本发明提出一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，能够在x极化波激励时工作在反射模式，在y极化波激励时工作在传输模式。该超表面通过编码单元基于传输相位原理，在9.7GHz～11.2GHz频率范围内，在全空间实现对电磁波的幅度调制，进而实现全空间全息成像。本发明结构层数少，工作频带宽。
附图说明
图1为超表面单元的三维透视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的仰视图；
图4为超表面单元中l1和m1改变时的幅相曲线图；
图5为超表面单元中l2和m2改变时的幅相曲线图；
图6为x极化波激励下9.7GHz处的超表面全息仿真图；
图7为x极化波激励下11.2GHz处的超表面全息仿真图；
图8为y极化波激励下9.7GHz处的超表面全息仿真图；
图9为y极化波激励下11.2GHz处的超表面全息仿真图；
图10为x极化波激励下11.2GHz处的超表面全息测试图；
图11为y极化波激励下11.2GHz处的超表面全息测试图。
具体实施方式
具体实施方式一：基于数字编码技术，利用极化和工作模式自由度，本实施方式提出了一种能够同时在传输和反射空间实现全息成像功能的宽频带幅度编码超表面结构。参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，包括多个呈阵列排布的超表面单元，每个超表面单元均包括：编码单元和矩形的介质层2。介质层2的介电常数为3.5，损耗正切为0.001。介质层2的厚度为2mm。具体应用时，介质层2表面为正方形，该正方形的边长Px＝Py＝10mm。
编码单元包括位于介质层2上表面的十字形金属层1和位于介质层2下表面的矩形金属层3。
十字形金属层1包括两个金属条，所述金属条沿其长度方向设有条形缝隙，该条形缝隙宽度w＝0.5mm。两个金属条的中点相交且构成十字形，一个金属条与介质层2的一条边平行。两个金属条的长度分别记为l1和l2。
矩形金属层3为能够覆盖介质层2下表面的正方形金属片，该金属片的中心位置开有矩形环状的镂空结构，镂空结构的一条边与介质层2的一条边平行。具体的，镂空结构的相对的两条边长度记为m1，与这两条边垂直的两条边长度记为m2。长度为l2的金属条与长度记为m2的边相互垂直，长度为l1的金属条与边长度记为m1的边相互垂直。镂空结构中长度为m1的两条边中点通过条形开口连通。
十字形金属层1和矩形金属层3的材料均为铜，电导率均为5.8×107sm-1。十字形金属层1和矩形金属层3厚度均为0.018mm。十字形金属层1、矩形金属层3和介质层2的几何中心重叠。
本实施方式能够在正交极化电磁波激励时实现全空间电磁波前控制的功能，具体如下：
当条形开口呈水平方向设置，在垂直入射的x极化电磁波激励条件下，通过调整l1和m1，两个参数变化时的幅度和相位响应如附图4所示，其中空心三角形和实心圆表示幅度调制，空心矩形和实心五角星代表相位的变化。从图4中可知当l1取值分别为7.2mm和3.5mm、m1为5.3mm和2mm时，使得单层宽频带幅度编码超表面能够在反射工作模式下、9.7GHz～11.2GHz频带内实现0.3至1的幅度调制，同时在整个工作频带内反射相位几乎不变。具体来说，当l1＝7.2mm，m1＝2mm时，编码单元在工作频带的反射幅值大于0.9，此时该单元被编码为数字码元“1”；当l1＝3.5mm，m1＝5.3mm时，编码单元在工作频带的反射幅值小于0.5，此时该单元被编码为数字码元“0”。
垂直入射的y极化电磁波激励条件下，通过调整l2和m2，两个参数变化时的幅度和相位响应如附图5所示，同样地，空心三角形和实心圆表示幅度，空心矩形和实心五角星代表相位。从图5中可知当l2取值分别为3.5mm和7.2mm、m2为8.5mm和5.1mm时，使得单层宽频带幅度编码超表面能够在传输工作模式下、9.7GHz～11.2GHz频带内实现0.3至1的幅度调制，同时其传输相位在工作频带内波动很小。具体来说，当l2＝3.5mm，m2＝8.5mm时，编码单元在工作频带的传输幅值大于0.9，此时该单元被编码为数字码元“1”；当l2＝7.2mm，m2＝5.1mm时，编码单元在工作频带的传输幅值小于0.5，此时该单元被编码为数字码元“0”。
将同时满足上述x、y极化电磁波激励条件后的编码单元组合到同一超表面中，按照图像幅度编码进行排列，构成编码超表面，能够实现全息成像。仿真结果如附图6、7、8和9所示，从图中能够看出，在单层幅度编码超表面上实现了宽频带、全空间全息成像，但由于编码超表面的工作模式不同、编码方式不同(反射模式采用“01”幅度编码进行全息成像，传输模式采用“10”幅度编码进行全息成像)，形成的全息成像效果正好相反。图6和图7中字母“T”被清晰地重构于近场区域，而图8和图9实现了另一字母“L”的重构。
为了验证上述仿真结果，对本实施方式所述单层宽频带幅度编码超表面进行测试，x极化电磁波和y极化电磁波激励时的测试结果如附图10和附图11所示。从图中能够看出测试结果与仿真结果吻合较好，并且两个图像互不干扰，具有较好的隔离度，证实了所提出的单层幅度编码超表面实现全空间全息成像的可行性。
本实施方式实现了一种能够在传输空间和反射空间同时调控电磁波幅度的编码超表面。在x极化电磁波激励时，编码超表面在9.7-11.2GHz频带内实现全息图像“T”；在y极化电磁波激励时，编码超表面在9.7-11.2GHz频带内实现全息图像“L”，并且两个图像互不干扰，具有较好的隔离度。有效解决了传统全息成像编码超表面层数多、成本高、制作复杂、带宽窄等问题，在高密度信息存储、全空间全息和高端图像显示等方面具有巨大的潜力。
Claims (10)
1.一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，包括多个呈阵列排布的超表面单元，每个超表面单元均包括：编码单元和矩形的介质层(2)，
其特征在于，编码单元包括位于介质层(2)上表面的十字形金属层(1)和位于介质层(2)下表面的矩形金属层(3)，
十字形金属层(1)包括两个金属条，所述金属条沿其长度方向设有条形缝隙，两个金属条的中点相交且构成十字形，一个金属条与介质层(2)的一条边平行，
矩形金属层(3)为能够覆盖介质层(2)下表面的金属片，该金属片的中心位置开有矩形环状的镂空结构，该镂空结构相对的两边中点通过条形开口连通，镂空结构的一条边与介质层(2)的一条边平行，
十字形金属层(1)、矩形金属层(3)和介质层(2)的几何中心重叠。
2.根据权利要求1所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，其特征在于，十字形金属层(1)和矩形金属层(3)的材料均为铜，电导率均为5.8×107sm-1。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，其特征在于，十字形金属层(1)和矩形金属层(3)厚度均为0.018mm。
4.根据权利要求3所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，其特征在于，金属条的条形缝隙宽度和条形开口宽度均为0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，其特征在于，介质层(2)的相对介电常数为3.5，损耗正切为0.001。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，其特征在于，介质层(2)的厚度为2mm。
7.根据权利要求6所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，其特征在于，介质层(2)表面为正方形，该正方形的边长为10mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，其特征在于，在垂直入射的x极化电磁波激励条件下，调整镂空结构相对的两条边和一个金属条的长度，使得单层宽频带幅度编码超表面能够在反射工作模式为9.7GHz～11.2GHz频带内实现全息成像，上述能够被调整的镂空结构的两条边和一个金属条相互垂直，且该金属条与条形开口相互平行。
9.根据权利要求1所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，其特征在于，在垂直入射的y极化电磁波激励条件下，调整镂空结构相对的两条边和一个金属条的长度，使得单层宽频带幅度编码超表面能够在传输工作模式为9.7GHz～11.2GHz频带内实现全息成像，上述能够被调整的镂空结构的两条边和一个金属条相互垂直，且该金属条与条形开口也相互垂直。
10.根据权利要求1、2、4、5、7、8或9所述的一种用于全空间全息成像的单层宽频带幅度编码超表面，其特征在于，两个金属条呈一体式结构。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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