CN113889771A - 双圆极化多波束数字编码透射超构表面 - Google Patents

双圆极化多波束数字编码透射超构表面 Download PDF

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Abstract

超构表面单元由两层金属贴片和一层介质板组成，上下两层金属贴片完全相同，其结构是在“H”的两个长边上有两个矩形口的类“H”型。编码数字由以单元中心为轴旋转角度Φ确定，根据方向图卷积定理，对沿x轴和y轴的编码取模，并且考虑喇叭天线的补偿相位排列出两种数字编码超构表面，又根据这两种数字编码超构表面对透射圆极化波有波束偏转效果的部分，最后合并出双圆极化多波束数字编码透射超构表面。本发明的双圆极化多波束数字编码透射超构表面可以在9.5GHz时内将喇叭天线发出的线极化波透射为四个方向的圆极化波束，其中包括两个左旋圆极化波束和两个右旋圆极化波束，并且四个波束能量差值小于3dB，在多通道无线通信中具有重要的研究价值。

Description

双圆极化多波束数字编码透射超构表面
技术领域
本发明涉及数字编码透射超构表面设计技术，具体涉及一种双圆极化多波束数字编码透射超构表面。
背景技术
超构材料是一种具有亚波长尺度单元的人工微结构，根据设计目标对单元进行周期或非周期的方式进行排列。超构表面是超构材料的二维表现形式，不仅继承了超构材料的优点，还具有剖面低、质量轻、易集成和易共形等特点，其在未来通信、雷达成像等领域具有很好的前景。基于数字编码超构表面设计的超构表面可以改变电磁波的极化方式，控制电磁波的传播方向，使多种功能集于一身，具有良好的应用价值。2017年张磊等人提出基于Pancharatnam-Berry(几何)相位原理的数字编码超构表面(Lei Zhang，Shuo Liu，LianlinLi and Tiejun Cui，ACS Applied Materials & Interfaces.vol.9，no.41，pp.36447-36455，2017)，根据数字编码超构表面的卷积定理，可以将原始的辐射方向图转移到新的方向上去，改变这两个正交方向上的排列方式，能够产生形式多样的辐射方向图。西安电子科技大学研究团队利用相位梯度和几何相位原理促使线极化电磁波分裂成两束相互正交并具有特定偏转角度的圆极化波(Aofang Zhang and Rui Yang，Physical ReviewB.vol.100，no.24，pp.245421，2019)，根据广义斯涅尔折射定律，偏转角度与编码子阵列的数量成反比关系，利用基片集成波导(SIW)使入射的线极化电磁波完美地耦合到腔内形成TM110谐振模式并以相反的折射角激发出互为正交的圆极化电磁波。南京大学冯一军团队利用多层级联双螺旋解耦透射超构表面来独立调控圆极化波的偏转方向波束能量(GuowenDing，Ke Chen，Guangxu Qian，Junming Zhao，Tian Jiang，Yijun Feng and ZhenbinWang，Advanced Optical Materials.vol.8，no.16，pp.2000342，2020)，利用传输相位和几何相位独立控制两正交圆极化波的相位响应，并利用粒子群算法优化超构表面的相位分布独立控制两正交圆极化波的能量分配。东南大学崔铁军团队提出对电磁波全域控制的可重构多功能超构表面(Hailin Wang，Huifeng Ma，Mao Chen Shi Sun and Tiejun Cui，Advanced Functional Materials.Early View，pp.2100275，2021)，通过加载PIN二极管来实时控制反射电磁波的相位，从而可以实现数字编码功能致使产生多个方向辐射的电磁波波束。从目前的进展来看，对于数字编码超构表面主要研究的是反射型超构表面，而对透射型超构表面鲜有报道，并且实现的多波束大多都是同极化的电磁波波束，没有极化分离的功能。双圆极化多波束数字编码透射超构表面可以大大增加无线通信容量，在无线射频系统中具有重要的研究意义。
发明内容
为提高无线射频系统的信道利用率，本发明提供一种超构表面单元，以下简称为“单元”，由一层介质板和两层金属贴片构成，单元自上而下依次为：上层金属贴片、介质板、下层金属贴片，上、下两层的金属贴片完全相同；其特征在于
介质板上下表面均为正方形，边长为p；
上层金属贴片与下层金属贴片形状与尺寸完全相同，以“金属贴片”代表二者；建立直角坐标系xyz，其中x轴平行于单元上表面指向右，y轴平行于单元上表面指向上，z轴垂直于单元上表面指向前；金属贴片为“H”形，包括两条长边和两条长边之间起到连接作用的一条短边；在长边中心，开有矩形开口，矩形开口全部被金属包围，外围金属无缺口；短边沿x轴方向连接两条长边，连接处大致位于长边沿y方向的中心；金属贴片的中心与介质板的中心重合，两个矩形开口的中心分别与两条长边的中心重合；
上层金属贴片与下层金属贴片在xy平面上的投影完全相同。
在本发明的一个实施例中，边长p在5-15mm范围内；介质板厚度t在2-4mm范围内。
在本发明的一个具体实施例中，边长p为10mm；介质板厚度t为3mm；介电常数在2.0-4.4范围内；正切损耗值在0.0001-0.025范围内。
在本发明的一个实施例中，短边在y轴方向上的宽度为s1，宽度s1在0.1-0.3mm范围内；短边在x轴方向上的长度为l1，长l1在0.2-2mm范围内；长边在x轴方向上的宽度为s2，宽度s2在1-3.5mm范围内；长边在y轴方向上的长度为l2，长l2在6-9mm范围内；两个矩形开口在x方向上的宽度为s3，宽度s3在0.5-4mm范围内；两个矩形开口在y方向上长度为l3，长边l3在1-6mm范围内。
在本发明的一个具体实施例中，短边在y轴方向上的宽度s1为0.2mm；短边在x轴方向上的长度l1为1mm；长边在x轴方向上的宽度s2为2.2mm；长边在y轴方向上的长度l2为8mm；两个矩形开口在x方向上的宽度s3为1.9mm；两个矩形开口在y方向上长度l3为4mm。
在本发明的一个具体实施例中，以金属贴片中心为轴，其轴线沿z轴方向延伸，金属贴片绕轴线顺时针旋转的角度为Φ，以22.5°为周期旋转，令金属贴片依次旋转0、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°，形成数字编码单元“0”～“7”。
还提供一种双圆极化多波束数字编码透射超构表面产生过程，具体步骤如下：
步骤1：在x方向和y方向上分别编码，采用方向图卷积原理，得到最原始的相位分布图；
第一张相位分布图是根据方向图卷积定理而形成的：在x方向上采用“01234567”的编码排列，也就是相当于在x方向上采用数字编码单元“0”～“7”按顺序排列，若线极化波入射此编码排列的超构表面上，会透射出两束互为正交的圆极化波，并且偏转角度互为相反数；在y方向上采用“00004444”的编码排列，即相当于在y方向上采用数字编码单元“0”、“0”、“0”、“0”、“4”、“4”、“4”、“4”按顺序排列，能够使线极化波透射为两束线极化波，偏转角度也互为相反数；之后采用方向图卷积定理，将这两个相位分布图相加后对8取模，得到第一张相位分布图；
步骤2：结合相位补偿原理，对左旋圆极化波和右旋圆极化波的相位分别补偿，然后与最原始的相位分布图相结合，得到两张补偿后的相位分布图；
第二张相位分布图是根据相位补偿而形成的，把发射源理想成点源，发射源与补偿平面距离为S，该距离就是喇叭天线到板子之间的距离，该距离会影响相位补偿的角度；因为单元的旋转角度能够控制透射波的相位，所以把第一张和第二张相位分布图结合起来，通过在步骤1的相位分布图的基础上将单元继续旋转对相位进行补偿，继续旋转的角度是根据相位补偿的角度来定的；相位补偿角度是根据喇叭天线距离补偿平面的距离计算的；用第一张相位分布图中的数值减去第二张相位分布图中的数值，减号用来表示补偿的是左旋圆极化波；用第一张相位分布图中的数值加上第二张相位分布图中的数值，加号表示补偿的是右旋圆极化波；则获得等号后面的两张相位分布图；则等号后面的两张相位分布图就是结合后得出的，等号后第一张图是结合后的相位分布图，第二张图是按照等号后第一张图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图；
步骤3：步骤2得出的两张相位分布图，其中通过加号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其右半部分，通过减号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其左半部分，将起主要作用的这两部分拼接，得到最终的相位分布图；按照最终的相位分布图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图。
还提供另一种双圆极化多波束数字编码透射超构表面产生过程，具体步骤如下：
步骤1：在x方向和y方向上分别编码，采用方向图卷积原理，得到最原始的相位分布图；
第一张相位分布图是根据方向图卷积定理而形成的：在x方向上采用“0246”的编码排列，也就是相当于在x方向上采用数字编码单元“0”、“2”、“4”、“6”按顺序排列，若线极化波入射此编码排列的超构表面上，会透射出两束互为正交的圆极化波，并且偏转角度互为相反数；在y方向上采用“0044”的编码排列，即相当于在y方向上采用数字编码单元“0”、“0”、“4”、“4”按顺序排列，能够使线极化波透射为两束线极化波，偏转角度也互为相反数；之后采用方向图卷积定理，将这两个相位分布图相加后对4取模，得到第一张相位分布图；
步骤2：结合相位补偿原理，对左旋圆极化波和右旋圆极化波的相位分别补偿，然后与最原始的相位分布图相结合，得到两张补偿后的相位分布图；
第二张相位分布图是根据相位补偿而形成的，把发射源理想成点源，发射源与补偿平面距离为S，该距离就是喇叭天线到板子之间的距离，该距离会影响相位补偿的角度；因为单元的旋转角度能够控制透射波的相位，所以把第一张和第二张相位分布图结合起来，通过在步骤1的相位分布图的基础上将单元继续旋转对相位进行补偿，继续旋转的角度是根据相位补偿的角度来定的；相位补偿角度是根据喇叭天线距离补偿平面的距离计算的；用第一张相位分布图中的数值减去第二张相位分布图中的数值，减号用来表示补偿的是左旋圆极化波；用第一张相位分布图中的数值加上第二张相位分布图中的数值，加号表示补偿的是右旋圆极化波；则获得等号后面的两张相位分布图；则等号后面的两张相位分布图就是结合后得出的，等号后第一张图是结合后的相位分布图，第二张图是按照等号后第一张图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图；
步骤3：步骤2得出的两张相位分布图，其中通过加号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其右半部分，通过减号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其左半部分，将起主要作用的这两部分拼接，得到最终的相位分布图；按照最终的相位分布图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图。
还提供再一种双圆极化多波束数字编码透射超构表面产生过程，具体步骤如下：
步骤1：在x方向和y方向上分别编码，采用方向图卷积原理，得到最原始的相位分布图；
第一张相位分布图是根据方向图卷积定理而形成的：在x方向上采用“1357”的编码排列，也就是相当于在x方向上采用数字编码单元“1”、“3”、“5”、“7”按顺序排列，若线极化波入射此编码排列的超构表面上，会透射出两束互为正交的圆极化波，并且偏转角度互为相反数；在y方向上采用“0044”的编码排列，即相当于在y方向上采用数字编码单元“0”、“0”、“4”、“4”按顺序排列，能够使线极化波透射为两束线极化波，偏转角度也互为相反数；之后采用方向图卷积定理，将这两个相位分布图相加后对4取模，得到第一张相位分布图；
步骤2：结合相位补偿原理，对左旋圆极化波和右旋圆极化波的相位分别补偿，然后与最原始的相位分布图相结合，得到两张补偿后的相位分布图；
第二张相位分布图是根据相位补偿而形成的，把发射源理想成点源，发射源与补偿平面距离为S，该距离就是喇叭天线到板子之间的距离，该距离会影响相位补偿的角度；因为单元的旋转角度能够控制透射波的相位，所以把第一张和第二张相位分布图结合起来，通过在步骤1的相位分布图的基础上将单元继续旋转对相位进行补偿，继续旋转的角度是根据相位补偿的角度来定的；相位补偿角度是根据喇叭天线距离补偿平面的距离计算的；用第一张相位分布图中的数值减去第二张相位分布图中的数值，减号用来表示补偿的是左旋圆极化波；用第一张相位分布图中的数值加上第二张相位分布图中的数值，加号表示补偿的是右旋圆极化波；则获得等号后面的两张相位分布图；则等号后面的两张相位分布图就是结合后得出的，等号后第一张图是结合后的相位分布图，第二张图是按照等号后第一张图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图；
步骤3：步骤2得出的两张相位分布图，其中通过加号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其右半部分，通过减号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其左半部分，将起主要作用的这两部分拼接，得到最终的相位分布图；按照最终的相位分布图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图。
在本发明的一个实施例中，S＝200mm～300mm。
本发明将几何相位原理和方向图卷积定理结合实现多波束单圆极化透射功能，再将两种圆极化多波束数字编码透射超构表面结合，最终提出双圆极化多波束数字编码超构表面。该超构表面不仅能实现多波束的功能，而且可以实现极化分离的功能，向多个方向透射出两种圆极化电磁波，在目前信道资源异常紧张的情况下具有重要的应用价值。
附图说明
图1示出本发明提出的双圆极化多波束数字编码透射超构表面的单元示意图、金属贴片结构的示意图和数字编码单元的示意图，其中图1(a)示出双圆极化多波束数字编码透射超构表面单元的立体透视图，图1(b)示出其金属贴片结构的示意图，图1(c)示出数字编码单元“0”～“7”的结构示意图。
图2示出本发明提出的双圆极化数字编码透射超构表面单元分别在在线极化波和圆极化波沿-z轴方向入射时透射的频率响应；其中图2(a)是“0”编码单元在x极化波和y极化波沿-z轴入射时的透射系数、透射相位及相位差曲线，图2(b)是“0”～“7”编码单元在左旋和右旋圆极化波沿-z轴入射时的透射系数曲线，图2(c)“0”～“7”编码单元在右旋圆极化波沿-z轴方向入射后透射为左旋圆极化波的相位分布曲线，图2(d)是“0”～“7”编码单元在左旋圆极化波沿-z轴方向入射后透射为右旋圆极化波的相位分布曲线。
图3示出本发明提出的双圆极化数字编码透射超构表面阵列排布的具体步骤；其中第一行和第二行是根据方向图卷积定理和相位补偿原理相结合的阵列分布图以及仿真的远场方向图，第三行是根据第一行和第二行对圆极化波束偏转的部分合并的阵列分布图以及仿真的远场方向图。
图4示出本发明提出的双圆极化数字编码透射超构表面在方位角为45°时左旋圆极化波和右旋圆极化波随俯仰角变化的曲线；其中图4(a)示出是左旋圆极化波随俯仰角变化的曲线，其中图4(b)示出是右旋圆极化波随俯仰角变化的曲线。
图5示出本发明处于微波暗室中的双圆极化多波束数字编码透射超构表面及加工样品的具体结构图。
图6示出本发明提出的双圆极化数字编码透射超构表面在方位角为45°时线极化波沿-z轴方向入射后左旋圆极化波和右旋圆极化波随俯仰角变化的仿真曲线和测试曲线；图6(a)示出的是左旋圆极化波随俯仰角变化的仿真曲线和测试曲线，图6(b)示出的是右旋圆极化波随俯仰角变化的仿真曲线和测试曲线。
具体实施方式
本发明提出双圆极化多波束数字编码透射超构表面，超构表面单元(以下简称为“单元”)立体透视图如图1(a)所示。单元由一层介质板和两层金属贴片构成，上下两层的金属贴片完全相同，单元自上而下依次为：上层金属贴片、介质板、下层金属贴片(图1(a)中上层金属贴片在前面，下层金属贴片在后面)。
介质板的上下表面均为正方形，边长为p，p即为单元的周期长度，边长p在5-15mm范围内，优选值为10mm；介质板厚度t在2-4mm范围内，优选值为3mm；介电常数在2.0-4.4范围内，优选值为2.2；正切损耗值在0.0001-0.025范围内，优选值为0.0009。
上层金属贴片与下层金属贴片形状与尺寸完全相同，下面以“金属贴片”代表二者，介绍其具体形状和尺寸。建立直角坐标系xyz，其中x轴平行于单元上表面指向右(如图1(a)所示)，y轴平行于单元上表面指向上，z轴垂直于单元上表面指向前(即指向读者方向)。如图1(b)所示，金属贴片为“H”形，包括两条长边和两条长边之间起到连接作用的一条短边；在长边中心，开有矩形开口，矩形开口全部被金属包围，外围金属无缺口。短边沿x轴方向连接两条长边，连接处大致位于长边沿y方向的中心。金属贴片的中心与介质板的中心重合，两个矩形开口的中心分别与两条长边的中心重合。短边在y轴方向上的宽度为s1，宽度s1在0.1-0.3mm范围内，优选值为0.2mm；短边在x轴方向上的长度为l1，长l1在0.2-2mm范围内，优选值为1mm。长边在x轴方向上的宽度为s2，宽度s2在1-3.5mm范围内，优选值为2.2mm；长边在y轴方向上的长度为l2，长l2在6-9mm范围内，优选值为8mm。两个矩形开口在x方向上的宽度为s3，宽度s3在0.5-4mm范围内，优选值为1.9mm；两个矩形开口在y方向上长度为l3，长边l3在1-6mm范围内，优选值为4mm。
上层金属贴片与下层金属贴片在xy平面上的投影完全相同。
以金属贴片中心为轴，其轴线沿z轴方向延伸，金属贴片绕轴线顺时针旋转的角度为Φ，以22.5°为周期旋转，令金属贴片依次旋转0、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°，形成数字编码单元“0”～“7”，如图1(c)所示。
采用CST 2018进行仿真分析。首先在无限周期边界条件下对数字编码超构表面单元进行仿真，端口的接收和发射都为线极化电磁波，图2(a)分别示互为正交的线极化波沿-z轴入射到数字编码单元“0”透射出的透射系数、透射相位以及相位差曲线，即tyy、txx、
Figure BSA0000252496070000081
和
Figure BSA0000252496070000082
从图中可以看出在9.5GHz时互为正交的线极化波的透射系数基本相等并且大于0.8，同时透射相位的差值在180°左右，所以此时单元符合PB相位原理，即可以通过旋转单元改变圆极化波的极化方式和相位。图2(b)给出在圆极化波入射到数字编码单元“0”～“7”的透射系数曲线，基于PB相位原理，一种圆极化波入射到数字编码单元后会被透射为互为正交的圆极化波，并且当互为正交的圆极化波入射时8个单元在9.5GHz的透射系数都大于0.8，可以看出能量基本都可以透过数字编码超构表面。图2(c)和图2(d)分别给出在圆极化波入射到数字编码单元“0”～“7”的左旋和右旋圆极化波透射相位曲线，基于PB相位原理可知改变圆极化波相位是单元旋转角度的二倍，并且两种圆极化波改变的相位互为相反数，可以看出随着旋转角度的增大，在9.5GHz时互为正交的圆极化波相位以旋转角度的二倍周期增长和减小，这与PB相位原理相符合，可以作为数字编码超构表面单元。
图3示出32×32的数字编码超构表面的产生过程，具体步骤如下：
步骤1：在x方向和y方向上分别编码，采用方向图卷积原理，得到最原始的相位分布图；
图3(a)和(b)中的第一张相位分布图是根据方向图卷积定理而形成的，例如，在x方向上采用“01234567”的编码排列，若线极化波入射此编码排列的超构表面上，会透射出两束互为正交的圆极化波，并且偏转角度互为相反数；在y方向上采用“00004444”的编码排列，可以使线极化波透射为两束线极化波，偏转角度也互为相反数。之后采用方向图卷积定理，将这两个相位分布图相加后对8取模(对8取模就相当于两个数字编码单元相加按照8周期循环，例如最左上角的单元在x方向的编码是5，在y方向的编码是6，那么相加是11，再取模就是3)，便得到第一张相位分布图。
也可以对其他数字取模，就相当于比特数不一样，比特数不一样影响的是波束的偏转角度。但是编码排列目前就这一种，如上一段的编码排列所述，只能改比特数。例如：在x方向上采用“0246”的编码排列，在y方向上采用“0044”的编码排列；之后采用方向图卷积定理，将这两个相位分布图相加后对4取模，得到第一张相位分布图。或者，在x方向上采用“1357”的编码排列，在y方向上采用“0044”的编码排列；之后采用方向图卷积定理，将这两个相位分布图相加后对4取模，得到第一张相位分布图。
步骤2：结合相位补偿原理，对左旋圆极化波和右旋圆极化波的相位分别补偿，然后与最原始的相位分布图相结合，得到两张补偿后的相位分布图；
图3(a)和(b)中的第二张相位分布图是根据相位补偿而形成的，把发射源理想成点源，距离补偿平面例如为240mm。可以采用其他距离，该距离就是喇叭天线到板子之间的距离，该距离会影响相位补偿的角度。因为单元的旋转角度可以控制透射波的相位，所以可以把第一张和第二张相位分布图结合起来，通过在步骤1的相位分布图的基础上将单元继续旋转对相位进行补偿，继续旋转的角度是根据相位补偿的角度来定的。相位补偿角度是根据喇叭天线距离补偿平面的距离计算的。图中的减号和加号分别补偿的是左旋和右旋圆极化波，则等号后面的两张相位分布图就是结合后得出的(结合其实就是对相位进行补偿，补偿的方法就是通过旋转单元)，等号后第一张图是结合(补偿)后的相位分布图，第二张图是按照等号后第一张图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图。通过仿真的三维远场方向图可以看出偏转的左旋和右旋圆极化波互为对称，这也验证了PB相位原理和方向图卷积原理。
步骤3：步骤2得出的两张相位分布图，其中图3(a)等号右边第一张图起主要作用的是其右半部分，图3(b)等号右边第一张图起主要作用的是其左半部分，将起主要作用的这两部分拼接，得到最终的相位分布图，也就是图3(c)等号右边的第一张图。图3(c)等号右边第二张图是按照图3(c)等号右边第一张图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图。
丛图3(c)中的三维远场方向图可以看出，用本方法设计的数字编码超构表面可以实现将线极化波同时透射出两束左旋圆极化波和两束右旋圆极化波，并且偏转角度可以通过x、y方向上的比特数来控制，x、y方向的比特数要一样。
图4(a)、(b)分别表示的是方位角为45°时左旋和右旋圆极化波的方向图可以看出波束偏转的角度大约在±33度，与计算的角度基本相同，并且两偏转波束能量差值小于3dB，达到预期指标要求。
本发明制作的是320mm×320mm的双圆极化多波束数字编码超构表面样品，此样品共由1024个单元组成，所有测试结果均在微波暗室中测量(如图5所示)，通过矢量网络分析仪连接一个线极化和一个圆极化喇叭天线，其中线极化喇叭天线为发射端，圆极化喇叭天线为接收端，线极化喇叭天线距离样品120mm，并且采用远场测量方法测试样品在方位角为45°时的方向图。
图6(a)、(b)示出的是方位角为45°时左旋和右旋圆极化波方向图的仿真和测试曲线，可以看出测试方向图的偏转角度与仿真结果吻合度很高，样品具有良好的性能。

Claims (10)

1.一种超构表面单元，以下简称为“单元”，由一层介质板和两层金属贴片构成，单元自上而下依次为：上层金属贴片、介质板、下层金属贴片，上、下两层的金属贴片完全相同；其特征在于
介质板上下表面均为正方形，边长为p；
上层金属贴片与下层金属贴片形状与尺寸完全相同，以“金属贴片”代表二者；建立直角坐标系xyz，其中x轴平行于单元上表面指向右，y轴平行于单元上表面指向上，z轴垂直于单元上表面指向前；金属贴片为“H”形，包括两条长边和两条长边之间起到连接作用的一条短边；在长边中心，开有矩形开口，矩形开口全部被金属包围，外围金属无缺口；短边沿x轴方向连接两条长边，连接处大致位于长边沿y方向的中心；金属贴片的中心与介质板的中心重合，两个矩形开口的中心分别与两条长边的中心重合；
上层金属贴片与下层金属贴片在xy平面上的投影完全相同。
2.如权利要求1所述的超构表面单元，其特征在于，边长p在5-15mm范围内；介质板厚度t在2-4mm范围内。
3.如权利要求2所述的超构表面单元，其特征在于，边长p为10mm；介质板厚度t为3mm；介电常数在2.0-4.4范围内；正切损耗值在0.0001-0.025范围内。
4.如权利要求1所述的超构表面单元，其特征在于，短边在y轴方向上的宽度为s1，宽度s1在0.1-0.3mm范围内；短边在x轴方向上的长度为l1，长l1在0.2-2mm范围内；长边在x轴方向上的宽度为s2，宽度s2在1-3.5mm范围内；长边在y轴方向上的长度为l2，长l2在6-9mm范围内；两个矩形开口在x方向上的宽度为s3，宽度s3在0.5-4mm范围内；两个矩形开口在y方向上长度为l3，长边l3在1-6mm范围内。
5.如权利要求4所述的超构表面单元，其特征在于，短边在y轴方向上的宽度s1为0.2mm；短边在x轴方向上的长度l1为1mm；长边在x轴方向上的宽度s2为2.2mm；长边在y轴方向上的长度l2为8mm；两个矩形开口在x方向上的宽度s3为1.9mm；两个矩形开口在y方向上长度l3为4mm。
6.如权利要求1所述的超构表面单元，其特征在于，以金属贴片中心为轴，其轴线沿z轴方向延伸，金属贴片绕轴线顺时针旋转的角度为Φ，以22.5°为周期旋转，令金属贴片依次旋转0、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°，形成数字编码单元“0”～“7”。
7.一种双圆极化多波束数字编码透射超构表面产生过程，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：在x方向和y方向上分别编码，采用方向图卷积原理，得到最原始的相位分布图；
第一张相位分布图是根据方向图卷积定理而形成的：在x方向上采用“01234567”的编码排列，也就是相当于在x方向上采用数字编码单元“0”～“7”按顺序排列，若线极化波入射此编码排列的超构表面上，会透射出两束互为正交的圆极化波，并且偏转角度互为相反数；在y方向上采用“00004444”的编码排列，即相当于在y方向上采用数字编码单元“0”、“0”、“0”、“0”、“4”、“4”、“4”、“4”按顺序排列，能够使线极化波透射为两束线极化波，偏转角度也互为相反数；之后采用方向图卷积定理，将这两个相位分布图相加后对8取模，得到第一张相位分布图；
步骤2：结合相位补偿原理，对左旋圆极化波和右旋圆极化波的相位分别补偿，然后与最原始的相位分布图相结合，得到两张补偿后的相位分布图；
第二张相位分布图是根据相位补偿而形成的，把发射源理想成点源，发射源与补偿平面距离为S，该距离就是喇叭天线到板子之间的距离，该距离会影响相位补偿的角度；因为单元的旋转角度能够控制透射波的相位，所以把第一张和第二张相位分布图结合起来，通过在步骤1的相位分布图的基础上将单元继续旋转对相位进行补偿，继续旋转的角度是根据相位补偿的角度来定的；相位补偿角度是根据喇叭天线距离补偿平面的距离计算的；用第一张相位分布图中的数值减去第二张相位分布图中的数值，减号用来表示补偿的是左旋圆极化波；用第一张相位分布图中的数值加上第二张相位分布图中的数值，加号表示补偿的是右旋圆极化波；则获得等号后面的两张相位分布图；则等号后面的两张相位分布图就是结合后得出的，等号后第一张图是结合后的相位分布图，第二张图是按照等号后第一张图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图；
步骤3：步骤2得出的两张相位分布图，其中通过加号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其右半部分，通过减号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其左半部分，将起主要作用的这两部分拼接，得到最终的相位分布图；按照最终的相位分布图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图。
8.一种双圆极化多波束数字编码透射超构表面产生过程，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：在x方向和y方向上分别编码，采用方向图卷积原理，得到最原始的相位分布图；
第一张相位分布图是根据方向图卷积定理而形成的：在x方向上采用“0246”的编码排列，也就是相当于在x方向上采用数字编码单元“0”、“2”、“4”、“6”按顺序排列，若线极化波入射此编码排列的超构表面上，会透射出两束互为正交的圆极化波，并且偏转角度互为相反数；在y方向上采用“0044”的编码排列，即相当于在y方向上采用数字编码单元“0”、“0”、“4”、“4”按顺序排列，能够使线极化波透射为两束线极化波，偏转角度也互为相反数；之后采用方向图卷积定理，将这两个相位分布图相加后对4取模，得到第一张相位分布图；
步骤2：结合相位补偿原理，对左旋圆极化波和右旋圆极化波的相位分别补偿，然后与最原始的相位分布图相结合，得到两张补偿后的相位分布图；
第二张相位分布图是根据相位补偿而形成的，把发射源理想成点源，发射源与补偿平面距离为S，该距离就是喇叭天线到板子之间的距离，该距离会影响相位补偿的角度；因为单元的旋转角度能够控制透射波的相位，所以把第一张和第二张相位分布图结合起来，通过在步骤1的相位分布图的基础上将单元继续旋转对相位进行补偿，继续旋转的角度是根据相位补偿的角度来定的；相位补偿角度是根据喇叭天线距离补偿平面的距离计算的；用第一张相位分布图中的数值减去第二张相位分布图中的数值，减号用来表示补偿的是左旋圆极化波；用第一张相位分布图中的数值加上第二张相位分布图中的数值，加号表示补偿的是右旋圆极化波；则获得等号后面的两张相位分布图；则等号后面的两张相位分布图就是结合后得出的，等号后第一张图是结合后的相位分布图，第二张图是按照等号后第一张图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图；
步骤3：步骤2得出的两张相位分布图，其中通过加号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其右半部分，通过减号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其左半部分，将起主要作用的这两部分拼接，得到最终的相位分布图；按照最终的相位分布图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图。
9.一种双圆极化多波束数字编码透射超构表面产生过程，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：在x方向和y方向上分别编码，采用方向图卷积原理，得到最原始的相位分布图；
第一张相位分布图是根据方向图卷积定理而形成的：在x方向上采用“1357”的编码排列，也就是相当于在x方向上采用数字编码单元“1”、“3”、“5”、“7”按顺序排列，若线极化波入射此编码排列的超构表面上，会透射出两束互为正交的圆极化波，并且偏转角度互为相反数；在y方向上采用“0044”的编码排列，即相当于在y方向上采用数字编码单元“0”、“0”、“4”、“4”按顺序排列，能够使线极化波透射为两束线极化波，偏转角度也互为相反数；之后采用方向图卷积定理，将这两个相位分布图相加后对4取模，得到第一张相位分布图；
步骤2：结合相位补偿原理，对左旋圆极化波和右旋圆极化波的相位分别补偿，然后与最原始的相位分布图相结合，得到两张补偿后的相位分布图；
第二张相位分布图是根据相位补偿而形成的，把发射源理想成点源，发射源与补偿平面距离为S，该距离就是喇叭天线到板子之间的距离，该距离会影响相位补偿的角度；因为单元的旋转角度能够控制透射波的相位，所以把第一张和第二张相位分布图结合起来，通过在步骤1的相位分布图的基础上将单元继续旋转对相位进行补偿，继续旋转的角度是根据相位补偿的角度来定的；相位补偿角度是根据喇叭天线距离补偿平面的距离计算的；用第一张相位分布图中的数值减去第二张相位分布图中的数值，减号用来表示补偿的是左旋圆极化波；用第一张相位分布图中的数值加上第二张相位分布图中的数值，加号表示补偿的是右旋圆极化波；则获得等号后面的两张相位分布图；则等号后面的两张相位分布图就是结合后得出的，等号后第一张图是结合后的相位分布图，第二张图是按照等号后第一张图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图；
步骤3：步骤2得出的两张相位分布图，其中通过加号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其右半部分，通过减号获得的等号右边第一张图起主要作用的是其左半部分，将起主要作用的这两部分拼接，得到最终的相位分布图；按照最终的相位分布图的相位分布对单元进行排列后，再进行仿真得到的三维远场方向图。
10.如权利要求7至9的任何一项权利要求所述的双圆极化多波束数字编码透射超构表面产生过程，其特征在于，S＝200mm～300mm。
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Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1469156A (en) * 1974-05-08 1977-03-30 Harris Corp Passive antenna element
WO1997029525A1 (en) * 1996-02-06 1997-08-14 The Secretary Of State For Defence Omnidirectional antenna
WO2008148569A2 (en) * 2007-06-06 2008-12-11 Fractus, S.A. Dual-polarized radiating element, dual-band dual-polarized antenna assembly and dual-polarized antenna array
CN105789877A (zh) * 2016-05-11 2016-07-20 中国人民解放军空军工程大学 基于超表面的四波束微带透射阵天线及其设计方法
WO2017020792A1 (zh) * 2015-08-03 2017-02-09 深圳大学 一种左旋圆偏振转换的超材料薄膜
CN107359422A (zh) * 2017-06-06 2017-11-17 常州安塔歌电子科技有限公司 一种宽带双极化双层透射阵单元
CN207753168U (zh) * 2018-02-02 2018-08-21 华侨大学 一种加载超材料的圆极化喇叭天线
CN108763708A (zh) * 2018-05-21 2018-11-06 东南大学 基于深度学习设计多波束多极化人工电磁表面的方法
JP2019041138A (ja) * 2017-08-22 2019-03-14 日本電信電話株式会社 受動素子
US20200025610A1 (en) * 2018-03-22 2020-01-23 Purdue Research Foundation Sensor for hyperspectral imaging based on a metasurface-integrated light detector array
CN110911831A (zh) * 2019-11-27 2020-03-24 西安电子科技大学 一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线
CN111883931A (zh) * 2020-08-03 2020-11-03 哈尔滨工业大学 基于超构表面综合相位调控原理的圆极化四通道独立异常偏转透镜
CN111969306A (zh) * 2020-05-15 2020-11-20 东南大学 一种圆极化折叠透射阵
CN112701479A (zh) * 2020-12-15 2021-04-23 四川大学 一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线
CN112909566A (zh) * 2021-01-20 2021-06-04 成都第三象限未来科技有限公司 一种多功能涡旋叠加态发生器
CN112909553A (zh) * 2021-01-15 2021-06-04 重庆邮电大学 一种基于旋转调相法的圆极化透射阵列天线单元
CN113097734A (zh) * 2021-03-23 2021-07-09 中国人民解放军空军工程大学 不对称电磁波传播的多功能手征超构表面
CN113097735A (zh) * 2021-04-06 2021-07-09 南京大学 一种多功能超表面及隐身天线
CN113258296A (zh) * 2021-05-24 2021-08-13 华南理工大学 双频双极化多功能透射和反射型超表面天线及通信设备
CN113300119A (zh) * 2021-06-03 2021-08-24 南京大学 一种用于圆极化波束赋形的透射型超表面及设计方法
CN113363720A (zh) * 2021-06-22 2021-09-07 西安电子科技大学 一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统

Patent Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1469156A (en) * 1974-05-08 1977-03-30 Harris Corp Passive antenna element
WO1997029525A1 (en) * 1996-02-06 1997-08-14 The Secretary Of State For Defence Omnidirectional antenna
WO2008148569A2 (en) * 2007-06-06 2008-12-11 Fractus, S.A. Dual-polarized radiating element, dual-band dual-polarized antenna assembly and dual-polarized antenna array
WO2017020792A1 (zh) * 2015-08-03 2017-02-09 深圳大学 一种左旋圆偏振转换的超材料薄膜
CN105789877A (zh) * 2016-05-11 2016-07-20 中国人民解放军空军工程大学 基于超表面的四波束微带透射阵天线及其设计方法
CN107359422A (zh) * 2017-06-06 2017-11-17 常州安塔歌电子科技有限公司 一种宽带双极化双层透射阵单元
JP2019041138A (ja) * 2017-08-22 2019-03-14 日本電信電話株式会社 受動素子
CN207753168U (zh) * 2018-02-02 2018-08-21 华侨大学 一种加载超材料的圆极化喇叭天线
US20200025610A1 (en) * 2018-03-22 2020-01-23 Purdue Research Foundation Sensor for hyperspectral imaging based on a metasurface-integrated light detector array
CN108763708A (zh) * 2018-05-21 2018-11-06 东南大学 基于深度学习设计多波束多极化人工电磁表面的方法
CN110911831A (zh) * 2019-11-27 2020-03-24 西安电子科技大学 一种采用单线极化馈源的双频圆极化平面透射阵天线
CN111969306A (zh) * 2020-05-15 2020-11-20 东南大学 一种圆极化折叠透射阵
CN111883931A (zh) * 2020-08-03 2020-11-03 哈尔滨工业大学 基于超构表面综合相位调控原理的圆极化四通道独立异常偏转透镜
CN112701479A (zh) * 2020-12-15 2021-04-23 四川大学 一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线
CN112909553A (zh) * 2021-01-15 2021-06-04 重庆邮电大学 一种基于旋转调相法的圆极化透射阵列天线单元
CN112909566A (zh) * 2021-01-20 2021-06-04 成都第三象限未来科技有限公司 一种多功能涡旋叠加态发生器
CN113097734A (zh) * 2021-03-23 2021-07-09 中国人民解放军空军工程大学 不对称电磁波传播的多功能手征超构表面
CN113097735A (zh) * 2021-04-06 2021-07-09 南京大学 一种多功能超表面及隐身天线
CN113258296A (zh) * 2021-05-24 2021-08-13 华南理工大学 双频双极化多功能透射和反射型超表面天线及通信设备
CN113300119A (zh) * 2021-06-03 2021-08-24 南京大学 一种用于圆极化波束赋形的透射型超表面及设计方法
CN113363720A (zh) * 2021-06-22 2021-09-07 西安电子科技大学 一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FAN YANG: "Design and Experiment of a Near-Zero-Thickness High-Gain Transmit-Reflect-Array Antenna Using Anisotropic Metasurface", 《IEEE ACCESS》 *
VLADIMIR A. LENETS: "A Focusing Circular-Polarization THz Beam Splitter Based on a Self-Complementary Metasurface" *
唐小燕: "基于透射型几何相位编码超表面的太赫兹波束自由操控", 《光子学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
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