CN114024144B - 多功能双频编码超表面 - Google Patents

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Abstract

多功能双频编码超表面，涉及电磁功能器件，本发明包括顺次重叠设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层；所述第一金属层和第三金属层皆为金属光栅，两层光栅形状相同且相互正交；所述第二金属层为M×N个基本单元组成的阵列，所述基本单元由开口方形谐振环和位于谐振环中间区域的十字贴片组成，M和N均为大于3且可被3整除的自然数。本发明具有频带覆盖范围宽、设计灵活、功能多样、易于加工、实用性强等特点。

Description

多功能双频编码超表面
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料以及电磁功能器件领域。
技术背景
由于在无线通信、成像、雷达隐身等领域具有广阔的应用前景，对电磁波的任意操纵引起了人们的极大关注。人工电磁超材料是由亚波长人工结构单元周期性或非周期性排列组成的人工复合结构材料，突破了天然材料电磁参数相对固定的限制，如负磁导率、负介电常数和负折射率、零折射率等，可以通过设计不同的单元结构进行控制。由于原来的电磁超材料采用空间相位累积来调节电磁波的相位，加工不方便，成本高，有额外的损耗。因此三维电磁超材料严重阻碍了其在紧凑环境下的实际应用。电磁超表面是人工电磁超材料的二维版本，克服了传统超材料在三维空间的限制。通过在一个界面上引入场不连续性，超表面可以通过随意改变其相位、振幅和偏振来操纵透射和反射波。经过多年的持续研究，人们提出了各种具有梯度相位不连续的超表面来操纵相位波前，以实现许多应用，如异常反射或折射、聚焦透镜、涡旋波束产生、偏振操纵等等。
数字编码超表面是一种新型的超表面，它在数字表示和物理实现之间建立了一座桥梁，使得从信息科学的角度重新审视超表面并与信号处理中的算法相结合成为可能，大大简化了超表面的设计，拓展了超表面的研究方向。编码超表面的基本原理是用二进制编码来代替不同的相位响应。例如，1位编码超表面由两个不同的编码元素组成，其相位响应相差180°，分别用数字“0”和“1”表示。通过将360°相位离散化，编码超表面的概念可以从1比特扩展到多比特。通过在二维平面上以预先设计好的编码序列排列编码元素，编码超表面可以更简单有效地控制电磁波。
随着现代集成系统的快速发展，现代通信、成像和无线传感器网络对多任务设备的要求越来越高，单一功能的设备无法满足系统集成的需要。最近，一些超表面被报道通过改变入射波的偏振和频率来实现不同的功能。此外，虽然可重构技术被用于构建有源超表面以实现对电磁波的多功能控制，但一般需要复杂的设计和控制系统，这大大增加了系统的损耗和成本。目前，大多数多功能无源超表面只能调节半空间或单一频段的电磁波来实现不同的功能，这大大限制了超器件的信息容量。在最近的研究中，各向异性的单层或多层多功能超表面被用来实现电磁控制。例如，有报道称，一个三频单层反射编码超表面[1]可以实现三种不同的功能，包括光学幻觉、RCS缩减和生成OAM波束。Zhang等人[2]在实验中展示了一个多层各向异性编码超表面，通过改变入射波的偏振和方向来实现多种独立功能。然而，这些提出的超表面要么是在半空间对电磁波进行调节，要么只是在单一的、狭窄的频段中工作。为了提高信息通道的容量，具有多频段、宽频段、全空间电磁控制、易于制造的多功能集成器件一直是研究者探索的前沿方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易加工、实用性强并且集成涡旋波束、RCS缩减和异常反射的多功能双频编码超表面。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，多功能双频编码超表面，其特征在于，包括顺次重叠设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层；
所述第一金属层和第三金属层皆为金属光栅，两层光栅形状相同且相互正交；所述第二金属层为M×N个基本单元组成的阵列，所述基本单元由开口方形谐振环和位于谐振环中间区域的十字贴片组成，M和N均为大于3且可被3整除的自然数；
所述开口方形谐振环为L型谐振片，L型谐振片具有两个长臂，并且两个长臂的末端各带有一个短臂，长臂和短臂皆沿正方形的四边设置，短臂为直角梯形，其底边长度大于顶边，顶边较底边更接近十字贴片，直角梯形的斜边与底边成45°角，垂直于底边的腰与L型谐振片的长臂连接。
第一介质层和第二介质层的材料均采用介电常数为2.65的F4B，损耗角正切为0.001。
在预定义的正交x轴和y轴坐标系中，所述第一金属层的光栅条纹沿y轴方向设置，所述第三金属层的光栅条纹沿x轴方向设置，十字贴片的横向方向为x轴方向，十字贴片的纵向方向为y轴方向。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的多功能超表面结构，能够在K和Ka两个频段内分别调控电磁波的透射和反射，并且实现的功能几乎互不影响。
(2)本发明提出的多功能超表面结构，上层和下层金属光栅相互正交，并且中间金属层结构能够在不同频段产生谐振，因此可以通过入射光的极化以及方向、频率的不同实现不同功能。且实现涡旋波束、RCS缩减、异常反射功能所依赖的结构参数不同，因此可以对三种功能进行自由独立调控。
(3)本发明所提出的多功能超表面结构，三层金属结构由于多次反射和透射叠加而形成类法布里-珀罗共振，可实现高偏振转换效率并且扩展工作带宽。
(3)本发明具有频带覆盖范围宽、设计灵活、功能多样、易于加工、实用性强等特点。
附图说明
图1为本发明实例的超表面单元结构示意图。
图2为本发明实例的超表面功能示意图。其中，(a)为在K波段x极化电磁波正向入射透射产生涡旋波束，(b)为在Ka波段x极化波正向入射时反射实现RCS缩减，(c)为在Ka波段y极化波反向入射时反射实现异常反射。
图3为本发明实例的超表面单元的透射和反射相位和幅值示意图。其中，(a)为在Ka波段的1-bit反射相位和幅值随lx、ly变化的分布，(b)为在K波段3-bit透射相位和幅值随臂长b和旋转角度α变化的分布，(c)为三种编码状态以及所对应的尺寸。
图4为超表面上集成的三种功能的相位分布示意图以及对应结构阵列排布示意图。其中，(a)为涡旋波束，(b)为RCS缩减，(c)为异常反射(d)(e)(f)分别为上述三种功能对应的阵列结构中间金属层排布示意图，(g)为三种功能叠加的最终多功能超表面中间金属层示意图。
图5为生成涡旋波束的三维远场和二维近场示意图。其中，(a)为三维远场辐射图，(b)为xoy平面上的电场Ey分量的归一化强度，(c)为拓扑荷数l＝2时的近场相位分布
图6为RCS缩减以及对比金属板的三维远场和二维近场仿真示意图。其中，(a)为仿真的超表面阵列的三维远场图，(b)为仿真的金属板的三维远场图，(c)为当
Figure BDA0003292484220000041
固定为90°时超表面与金属板的二维近场散射对比。
图7为异常反射的三维远场和二维近场仿真示意图。其中，(a)为三维远场散射图，(b)为归一化电场二维散射图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
一种多功能双频编码超表面，包括顺次重叠设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层；
所述第一金属层和第三金属层皆为金属光栅，两层光栅形状相同且相互正交；所述第二金属层为M×N个基本单元组成的阵列，所述基本单元由开口方形谐振环和位于谐振环中间区域的十字贴片组成，M和N均为大于3且可被3整除的自然数。
所述超表面在K波段x极化电磁波正向入射和y极化波反向入射时均透射产生涡旋波束，在Ka波段x极化波正向入射时反射实现RCS缩减，在Ka波段y极化波反向入射时反射实现异常反射；其中y方向为第一金属层上金属贴片长度方向，x方向为第三金属层上金属贴片长度方向。
进一步地，通过改变方形谐振环的短臂臂长和开口朝向角度在K波段调控透射相位。
进一步地，短臂臂长范围在0.85-2.85mm，开口旋转角度相对于y轴从-45°到+45°。
通过改变十字形贴片横向长度可以调控Ka波段正向入射波的反射相位；
通过改变十字形贴片纵向长度可以调控Ka波段反向入射波的反射相位。
RCS缩减功能通过反射相位差180°的两种基本单元以3×3的个数组成两种超级子单元，超级子单元如图4(e)中的虚线框所示，再由超级子单元排布成阵列实现。
改变十字形结构的尺寸对透射相位几乎不产生影响；改变方形谐振环的臂长大小以及开口朝向角度对反射相位的影响很小，即高频和低频之间的耦合较小。
RCS缩减所采用的正交十字编码方式能将入射的电磁波的能量散射到非威胁角域内，且绝大部分角度内RCS缩减量均小于普通编码。
参见图1所示，本发明提供了一种基于透射和反射的多功能双频编码超表面，包括第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层；所述第一金属层和第三金属层为相互正交的相同形状的金属光栅；所述第二金属层由方形谐振环和位于其中间的十字贴片组成。顶部和底部相互正交的光栅可以独立选择正交的电磁波；中间层的方形谐振环在低频产生谐振，十字贴片在高频产生谐振，并且低频和高频之间的耦合较小。
图2给出了所提出的编码超表面的三种功能概念示意图，该编码超表面可以分别实现对K和Ka波段的x极化和y极化入射波的同时控制。根据入射波的偏振和方向，所提出的编码超表面可以在两个不同的频段(f1，f2)独立执行三种不同的功能(F1-F3)。具体地：
F1：在K波段x极化电磁波正向入射和y极化波反向入射时均透射生成涡旋波束；
F2：在Ka波段x极化波正向入射时反射实现RCS缩减；
F3：在Ka波段y极化波反向入射时反射实现异常反射；
下面结合具体实例，说明本实施例提供的超表面单元的具体特性。
编码单元的设计是实现本发明功能的关键，低频相位的变化通过改变方形谐振环的臂长b以及开口朝向角度α来确定；高频相位的变化通过改变十字贴片的长度lx和ly来确定。其他结构参数固定为p＝4mm，h＝1mm，a＝3.2mm，w＝0.3mm，g1＝0.28mm，g2＝0.3mm，g3＝1mm，这里p为在x、y方向上的周期长度，h为介质基板的厚度，a为方形谐振环固定臂长，w为方形谐振环和十字贴片的宽度，g1，g3分别为窄极化栅和宽极化栅的宽度，g2为窄极化栅和宽极化栅之间的距离。所有金属层的材料均为铜，厚度为0.017mm；所有介质基本均采用介电常数为2.65的F4B，损耗角正切为0.001。
为了说明该超表面的具体单元特性，采用商业仿真软件CST对单元结构进行S参数仿真。图3(a)给出了单元反射相位和幅值随lx、ly变化的结果图，4个编码单元“0/0”、“0/1”、“1/0”和“1/1”的长度lx/ly分别优化为1.7mm/1.7mm、1.7mm/2.1mm、2.1mm/1.7mm和2.1mm/2.1mm。其中斜线前后的两位数字表示编码单元在x和y极化波入射下的编码状态。从图中可以看出，在其他参数固定的情况下，共极化反射振幅大于0.9，从37.5GHz到39.5GHz相位差约为180°(±30°)。注意，在x极化波入射下的幅值和相位响应仅由lx决定，其它参数的变化对它几乎没有影响，反之亦然。
图3(c)示出了一种编码方案的实例，
对于Ka波段，由十字贴片的参数lx和ly的组合进行0和1的编码，lx＝ly＝1.7mm表示0，lx＝ly＝2.1表示1。
对于K波段，通过开口方向角度α和短臂长度b的组合进行000到111的编码，例如，α＝45°且b＝2.20mm表示000，α＝135°且b＝0.85mm表示110。
考虑到透射情况，通过优化臂长b实现45°的相位梯度和0-180°的连续相位波前，确定了短臂的臂长b的4个长度分别为0.85mm、1.50mm、2.20mm、2.85mm；将方形谐振环旋转一定角度可以改变入射波的交叉极化透射相位，相移
Figure BDA0003292484220000061
与旋转角度α的关系可以表示为:
Figure BDA0003292484220000062
因此，本发明将这四个单元旋转90°，得到了180°到360°的连续相位波前。编码元件的透射相移覆盖了360°，选取8个编码状态，分别为“000”“001”“010”“011”“100”“101”“110”“111”，如图3(b)所示。从图中还可以看出，8个编码元件的透射幅值从16GHz到24GHz都在0.9以上，这对于设计高效的元器件是有前景的，在其他参数固定的情况下，透射相位在工作频段内近似相互平行，即表明该超表面可以在宽带内工作。
本发明将三个不同的电磁功能集成到一个共享孔径上，下面将结合具体示例分别对该超表面实现的涡旋波束、RCS缩减和异常反射功能做详细介绍。
本实施例中，超表面包含24×24个基本编码单元，尺寸为96mm×96mm，采用商业软件CST对阵列结构进行FDTD仿真计算。为了方便说明，低频以20GHz为例，高频以39GHz为例。
图4给出了所集成的三种功能的相位编码序列。
F1：当拓扑荷数l＝2时，平面波正入射时超表面上各个位置的模糊化成3-bit后的相位分布如图4的(a)所示。
F2：图4的(b)为正交十字编码。
F3：图4的(c)的编码序列为“000111000111…”。图4(c)右侧独立的纵条表示两种灰度代表的编码。
图4的(d)(e)(f)分别为所设计的三种功能相应结构排布示意图。将这三种阵列结构进行叠加，得到最终的多功能超表面示意图，如图4的(g)所示。图4(b)中，属于同一个超级子单元的3×3＝9个基本单元中的横向金属贴片尺寸相同。
1.生成涡旋波束
涡旋波束具有螺旋相位结构，能够在不增加带宽的情况下，对光通信信息进行编码，可显著地扩展通信容量。超表面各位置的相位分布可以表示为：
Figure BDA0003292484220000071
其中
Figure BDA0003292484220000072
为方位角，l为包含无限正交本征态范围的拓扑荷数。
低频x极化入射波照射下的三维远场和二维近场在中心频率为20GHz时的仿真结果如图5所示。从图5(a)可以看出，光束中心出现了一个空心，这与涡旋光束的特征剖面相一致。图5(b)为z＝-90mm，面积为120mm2的xoy剖面上近场电场Ey分量强度的仿真结果，可以看出近场电场强度呈环形分布。如图5(c)所示，可以清楚地观察到螺旋状的相位分布，说明生成了l＝+2的涡旋波束。
2.RCS缩减功能
不同于传统的编码模式，本示例中的编码将正交编码和十字编码通过卷积定理叠加，得到正交十字编码。相较于单一的编码模式，该编码能够将入射的电磁波重定向到非威胁的角域。图6(a)为仿真的x极化平面波入射的三维散射图。可以观察到x极化入射波在上半空间中随机地转向多个方向。为了更好地比较编码序列的RCS缩减效果，仿真了相同极化入射波入射到相同尺寸金属板(PEC)上的对比实验，三维远场散射图如图6(b)所示。如图6(c)所示，为了进行数值比较，在
Figure BDA0003292484220000073
的平面上绘制了编码超表面和金属板在39GHz处的二维RCS图形，其中
Figure BDA0003292484220000074
为平面的方位角。定量对比表明，在仿真中可以实现-15dB以上的RCS降低。上述结果表明该编码超表面能有效地降低RCS。
3.异常反射
在正入射情况下，广义Snell定律可以表示为:θ＝sin-1(λ/Γ)，式中θ为反射角，λ为对应工作频率在自由空间的波长，Γ为编码图案的周期，在此编码序列中为24mm。
根据上述公式，计算得出功能F2的编码序列在39GHz时能使正入射波偏转18.7°。
如图7(a)所示，三维远场散射图显示正入射波被重定向到两个与z轴有特定角度的对称方向。从图7(b)的二维散射图中可以看出反射光束的角度分别为(θ，
Figure BDA0003292484220000081
和
Figure BDA0003292484220000082
这与广义snell定律的理论计算结果比较吻合。
综上，本发明提出了一种基于透射和反射独立控制的多功能双频编码超表面，可以在整个空间内操纵电磁波，该超表面具有频带覆盖范围宽、易于制造、设计灵活、功能性强、实用性强等特点。本领域的技术人员应该了解，本发明的功能不限于上述三种具体实施例，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明所能实现的功能还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.多功能双频编码超表面，其特征在于，包括顺次重叠设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层；
所述第一金属层和第三金属层皆为金属光栅，两层光栅形状相同且相互正交；
所述第二金属层为M×N个基本单元组成的阵列，所述基本单元由开口方形谐振环和位于谐振环中间区域的十字贴片组成，M和N均为大于3且可被3整除的自然数；
所述开口方形谐振环为L型谐振片，L型谐振片具有两个长臂，并且两个长臂的末端各带有一个短臂，长臂和短臂皆沿正方形的四边设置，短臂为直角梯形，其底边长度大于顶边，顶边较底边更接近十字贴片，直角梯形的斜边与底边成45°角，垂直于底边的腰与L型谐振片的长臂连接；
通过改变十字形贴片横向长度可以调控Ka波段正向入射波的反射相位；
通过改变十字形贴片纵向长度可以调控Ka波段反向入射波的反射相位；
由十字贴片的横向长度lx和纵向长度ly的组合进行0和1的编码；
通过改变方形谐振环的短臂臂长和开口朝向角度在K波段调控透射相位；
通过方形谐振环的开口朝向角度α和短臂臂长b的组合进行000到111的编码；
所述超表面在K波段x极化电磁波正向入射和y极化波反向入射时均透射产生涡旋波束，在Ka波段x极化波正向入射时反射实现RCS缩减，在Ka波段y极化波反向入射时反射实现异常反射。
2.如权利要求1所述的多功能双频编码超表面，其特征在于，第一介质层和第二介质层的材料均采用介电常数为2.65的F4B，损耗角正切为0.001。
3.如权利要求1所述的多功能双频编码超表面，其特征在于，在预定义的正交x轴和y轴坐标系中，所述第一金属层的光栅条纹沿y轴方向设置，所述第三金属层的光栅条纹沿x轴方向设置，十字贴片的横向方向为x轴方向，十字贴片的纵向方向为y轴方向。
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