CN114512816B - 一种高效率反射式太赫兹波束偏折器 - Google Patents

一种高效率反射式太赫兹波束偏折器 Download PDF

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Abstract

一种高效率反射式太赫兹波束偏折器，包括M×N阵列排列的超排列单元，所述超排列单元由K个1×K排列的超表面单元组成，所述超表面单元包括介质基板、位于介质基板上表面的矩形贴片和位于介质基板下表面的金属层，所述矩形贴片与介质基板具有相同的中心；所述超排列单元中的K个超表面单元的矩形贴片的长度各不相同。本发明提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器，可实现对线极化馈源的反射传输，在线极化电磁波的激励下，实现了工作频点附近良好的波束偏转效果，且该超表面的反射效率达到90％以上。

Description

一种高效率反射式太赫兹波束偏折器
技术领域
本发明属于太赫兹超表面技术领域，具体涉及一种应用于太赫兹频段的高反射效率的超表面，在太赫兹移动通信技术(6G通讯)、太赫兹波束偏转器件以及太赫兹智能传播环境等领域具有广泛的应用价值。
背景技术
随着科学技术高速发展，各行各业已经和通信领域密不可分，与此同时通信领域也面临着诸多挑战。带宽是通信领域的重要概念，也是决定通讯系统性能的关键指标。而通信系统的带宽往往受到诸多因素的限制。因此拓宽通信系统带宽，从而实现宽带通信，成为了通信系统的瓶颈问题。此外，如今无线通讯系统正朝着小型化、低剖面、超宽带、功能多样化的趋势发展，如何使通讯系统有更快的通信速率、更小的体积、更强大的抗干扰能力、更高效的利用频谱资源、满足多用户的需求等问题亟待解决。
电磁器件作为通信系统中的重要组成部分，可用于调控、接收电磁波，而通信系统的质量与电磁器件的性能息息相关。如何基于电磁器件拓展通信系统的带宽是通信领域的关键问题。电磁器件的小型化、高效率、低剖面的发展趋势有利于整个通信系统的小型化、高效率、低剖面的发展趋势，有利于提高系统的稳定性、隐蔽性、减少功率损耗、有效解决电磁兼容问题，便于集成。
近年来，超表面技术的涌现为解决这些难点问题提供了一种思路和途径。超表面拥有低剖面、轻薄、易于加工等特点，同时超表面对电磁波的幅度、相位和极化状态有极强的控制能力，有极大的应用前景。而太赫兹波波段资源丰富，其带宽是目前主流通信频率的1000倍左右，是很好的宽带信息载体。若超表面技术应用于太赫兹波段，则能保证提高系统带宽的同时满足器件低剖面、小型化、轻薄、易于加工等特性。
尽管目前已有部分太赫兹超表面偏折器件被提出，但目前报道的太赫兹超表面偏折器件不能实现对反射波高效率、大反射角度的传输。若要实现高效率反射传输，超表面则需要满足一定的设计条件。目前，提高超表面反射效率通常采用减少单元材料的电磁损耗或者对全波仿真进行智能优化的方式，但由于形成的超表面无法满足阻抗匹配的条件，限制了反射效率的进一步提高；若实现大反射角度，则需要实现复杂的超表面单元，这给实际加工带来了极大的挑战。2020年，杨帆课题组提出一种X波段的超表面天线，可以实现±60°的偏折范围，可以应用于雷达系统或通讯系统。但其孔径效率仅为17.1％，且在大反射角度的工作状态下其效率会明显下降。若使用在恶劣的电磁环境下，系统误码率将大量提升，无法满足实际工作环境的需要。2021年申请的专利“基于介质超表面的太赫兹光束偏折器及其设计方法”中指出“以排列周期为优化变量来调制入射光的相位”的方法提高超表面的反射效率，虽然通过超表面单元以及超表面阵列的尺寸作为优化变量进行优化使效率得到了提升，但由于其没有满足阻抗匹配条件，因此效率无法进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的太赫兹波段超表面反射率低的问题，提出了一种高效率反射式太赫兹波束偏折器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高效率反射式太赫兹波束偏折器，包括M×N阵列排列的超排列单元，所述超排列单元由K个1×K排列的超表面单元组成，所述超表面单元包括介质基板、位于介质基板上表面的矩形贴片和位于介质基板下表面的金属层，所述矩形贴片与介质基板具有相同的中心；所述超排列单元中的K个超表面单元的矩形贴片的长度各不相同。
进一步的，所述超排列单元中的K个超表面单元的矩形贴片的长度是采用以下方法确定的：
步骤1、预设超排列单元的长度为Px、宽度为Py；其中，超表面单元沿长度x方向排列，入射线极化电磁波的电场方向沿宽度y方向；
步骤2、假设太赫兹超表面的工作波长为λ、反射角度为θr；根据工作波长λ和反射角度θr得到超排列单元中超表面单元的个数
Figure BDA0003525299350000021
步骤3、超排列单元中矩形贴片的长度l以预设的间隔a在0～Py范围内取
Figure BDA0003525299350000031
个值，仿真得到
Figure BDA0003525299350000032
个矩形贴片的长度l与相位的第一响应曲线；根据太赫兹超表面的工作波长λ，从
Figure BDA0003525299350000033
个矩形贴片的长度l与相位的第一响应曲线中选择K个等间距排列的第一响应曲线；
步骤4、根据阻抗匹配条件得到反射角度θr下，超排列单元沿长度x方向的位置[以超排列单元中的第一个超表面单元左下方的顶点作为坐标原点，长度x方向作为x轴，宽度y方向作为y轴，则该位置的坐标表示为(x,0)]与相位之间的第二响应曲线；其中，阻抗匹配条件为：
Figure BDA0003525299350000034
Figure BDA0003525299350000035
其中，R表示超排列单元的阻抗，η0表示真空波阻抗，j表示复数单位，Arg表示求复数幅角，
Figure BDA0003525299350000036
表示(x,0)位置处的相位；
步骤5、根据步骤4得到的第二响应曲线，得到各超表面单元沿长度x方向的起始位置(各超表面单元的起始位置是指各个超表面单元左下方的顶点在“以超排列单元中的第一个超表面单元左下方的顶点作为坐标原点，长度x方向作为x轴，宽度y方向作为y轴”建立的坐标系中的坐标)的相位，然后在步骤3得到的K个等间距排列的第一响应曲线中获取各相位下的矩形贴片的长度l；其中，在获取各相位下的矩形贴片的长度l时，在K个等间距排列的第一响应曲线中选择不同的矩形贴片的长度l作为相位起点，得到K种排布方式；
步骤6、对步骤5得到的K种排布方式分别进行全波仿真，选取反射效率最高的排布方式，即可得到超排列单元中各超表面单元矩形贴片的长度l，完成超排列单元的设计。
进一步的，所述超排列单元中的K个超表面单元的矩形贴片之间的间距相等。
进一步的，所述介质基板采用聚酰亚胺薄膜。
进一步的，位于介质基板下表面的金属层完全覆盖介质基板。
进一步的，所述M和N为大于5的正整数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器，可实现对线极化馈源的反射传输，在线极化电磁波的激励下，实现了工作频点附近良好的波束偏转效果，且该超表面的反射效率达到90％以上。
2、本发明提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器，结构简单，易于加工，大大降低了成本。
3、本发明提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器，实现了66°以上的大反射角度下反射效率的提升。
附图说明
图1为本发明提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器中，超表面单元的正面示意图；
图2为本发明提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器中，超表面单元的背侧示意图；
图3为本发明提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器中，超排列单元的正视图；
图4为本发明提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器的第一响应曲线；
图6为本发明实施例提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器的第二响应曲线；
图7为本发明实施例提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器，在不同反射角度下的E场方向图。
具体实施方式
下面结合附图，以0.34THz波段高效率反射式太赫兹波束偏折器为例对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例
一种高效率反射式太赫兹波束偏折器，包括M×N阵列排列的超排列单元，所述超排列单元由K个1×K排列的超表面单元组成，超排列单元的反射相位需满足360°的相位变化，所述超表面单元包括介质基板、位于介质基板上表面的矩形贴片和位于介质基板下表面的金属层，所述矩形贴片与介质基板具有相同的中心；所述超排列单元中的K个超表面单元的矩形贴片的长度各不相同。其中，介质基板为聚酰亚胺薄膜，厚度为50微米，相对电导率为3.5，完全绝缘；金属层的材料为金，电导率为4.561×107S/m，厚度均为200纳米。
其中，所述超排列单元中的K个超表面单元的矩形贴片的长度是采用以下方法确定的：
步骤1、预设超排列单元的长度为Px＝120微米、宽度为Py＝440微米；其中，超表面单元沿长度x方向排列，入射线极化电磁波的电场方向沿宽度y方向；
步骤2、假设太赫兹超表面的工作波长为λ＝880μm、反射角度为θr＝66°；根据工作波长λ和反射角度θr得到超排列单元中超表面单元的个数
Figure BDA0003525299350000051
步骤3、超排列单元中矩形贴片的长度l以预设的间隔4.4微米在0～Py范围内取101个值，仿真得到101个矩形贴片的长度l与相位的第一响应曲线；根据太赫兹超表面的工作波长880μm，从101个矩形贴片的长度l与相位的第一响应曲线中选择8个等间距排列的第一响应曲线，如图5所示；
步骤4、根据阻抗匹配条件得到反射角度θr＝66°下，超排列单元沿长度x方向的位置[以超排列单元中的第一个超表面单元左下方的顶点作为坐标原点，长度x方向作为x轴，宽度y方向作为y轴，则该位置的坐标表示为(x,0)]与相位之间的第二响应曲线；其中，阻抗匹配条件为：
Figure BDA0003525299350000052
Figure BDA0003525299350000053
其中，R表示超排列单元的阻抗，η0表示真空波阻抗取377欧姆，j表示复数单位，Arg表示求复数幅角，
Figure BDA0003525299350000061
表示(x,0)位置处的相位；
步骤5、根据步骤4得到的第二响应曲线，得到各超表面单元沿长度x方向的起始位置(各超表面单元的起始位置是指各个超表面单元左下方的顶点在“以超排列单元中的第一个超表面单元左下方的顶点作为坐标原点，长度x方向作为x轴，宽度y方向作为y轴”建立的坐标系中的坐标)的相位，然后在步骤3得到的8个等间距排列的第一响应曲线中获取各相位下的矩形贴片的长度l(分别为216.8μm、225.6μm、236μm、236μm、408.6μm、187.8μm、187.8μm、206.5μm)；其中，在获取各相位下的矩形贴片的长度l时，在8个等间距排列的第一响应曲线中选择不同的矩形贴片的长度l作为相位起点，得到共8种排布方式；
步骤6、对步骤5得到的8种排布方式分别进行全波仿真，选取反射效率最高的排布方式，即可得到超排列单元中各超表面单元矩形贴片的长度l，完成超排列单元的设计。
实施例提供的一种高效率反射式太赫兹波束偏折器阵面，工作频率为0.34THz，反射效率为90.30％，工作时，阵面的长边垂直于馈源发射的电磁波的电场震荡方向。在不同反射角度下的E场方向图如图7。
以上实例仅为方便说明本发明，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高效率反射式太赫兹波束偏折器，其特征在于，包括M×N阵列排列的超排列单元，所述超排列单元由K个超表面单元组成，K个超表面单元为1×K排列，所述超表面单元包括介质基板、位于介质基板上表面的矩形贴片和位于介质基板下表面的金属层，所述矩形贴片与介质基板具有相同的中心；所述超排列单元中的K个超表面单元的矩形贴片的长度各不相同，超排列单元中的K个超表面单元的矩形贴片的长度是采用以下方法确定的：
步骤1、预设超排列单元的长度为PX、宽度为Py；其中，超表面单元沿长度x方向排列，入射线极化电磁波的电场方向沿宽度y方向；
步骤2、假设太赫兹超表面的工作波长为λ、反射角度为θr；根据工作波长λ和反射角度θr得到超排列单元中超表面单元的个数
Figure FDA0004134475190000011
步骤3、超排列单元中矩形贴片的长度l以预设的间隔a在0～Py范围内取
Figure FDA0004134475190000012
个值，仿真得到
Figure FDA0004134475190000013
个矩形贴片的长度l与相位的第一响应曲线；根据太赫兹超表面的工作波长λ，从
Figure FDA0004134475190000014
个矩形贴片的长度l与相位的第一响应曲线中选择K个等间距排列的第一响应曲线；
步骤4、根据阻抗匹配条件得到反射角度θr下，超排列单元沿长度x方向的位置与相位之间的第二响应曲线；其中，阻抗匹配条件为：
Figure FDA0004134475190000015
Figure FDA0004134475190000016
其中，R表示超排列单元的阻抗，η0表示真空波阻抗，j表示复数单位，Arg表示求复数幅角，
Figure FDA0004134475190000017
表示(x,0)位置处的相位，(x,0)是在“以超排列单元中的第一个超表面单元左下方的顶点作为坐标原点，长度x方向作为x轴，宽度y方向作为y轴”建立的坐标系中的坐标；
步骤5、根据步骤4得到的第二响应曲线，得到各超表面单元沿长度x方向的起始位置的相位，然后在步骤3得到的K个等间距排列的第一响应曲线中获取各相位下的矩形贴片的长度l；其中，在获取各相位下的矩形贴片的长度l时，在K个等间距排列的第一响应曲线中选择不同的矩形贴片的长度l作为相位起点，得到K种排布方式；
步骤6、对步骤5得到的K种排布方式分别进行全波仿真，选取反射效率最高的排布方式，即可得到超排列单元中各超表面单元矩形贴片的长度l。
2.根据权利要求1所述的高效率反射式太赫兹波束偏折器，其特征在于，所述超排列单元中的K个超表面单元的矩形贴片之间的间距相等。
3.根据权利要求1所述的高效率反射式太赫兹波束偏折器，其特征在于，所述介质基板采用聚酰亚胺薄膜。
4.根据权利要求1所述的高效率反射式太赫兹波束偏折器，其特征在于，位于介质基板下表面的金属层完全覆盖介质基板。
5.根据权利要求1所述的高效率反射式太赫兹波束偏折器，其特征在于，所述M和N为大于5的正整数。
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