CN115441203A - 透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件及其设计方法 - Google Patents

透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超表面电磁调控技术领域，具体为一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件及其设计方法。由M*M个超表面单元周期延拓组成；超表面单元自上而下由六层金属结构和五层介质板交替层叠构成；其中，第一层结构为由十字金属环和交叉十字金属贴片构成的谐振器II；第二层为刻蚀有闭合圆环槽的金属地板；第三、四、五和六层结构为完全相同的矩形金属贴片，贴片四周为矩形金属环，构成谐振器I；谐振器II的工作频率为f2，谐振器I的工作频段为f1；该单元前向激发时，器件在f2处的左旋、右旋圆极化通道内分别实现反射电磁功能F3和F4；后向激发时，器件在f1处的左旋、右旋圆极化通道内分别实现透射电磁功能F1和F2。

Description

透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件及其设计方法
技术领域
本发明涉及超表面电磁调控技术领域，特别涉及透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件及其设计方法。
背景技术
超表面由人工亚波长单元经过周期和非周期排列组成，具备自然材料所不具备的电磁属性，能够灵活操控电磁波极化、相位和幅度，在通讯、信息和国防领域具有广泛的应用前景。为满足电磁器件集成化要求，有学者提出了多功能超表面概念，即将多个功能集成在单一超表面上，进一步扩大了超表面的信息容量。然而，大部分多功能超表面主要基于传输相位的线极化波调控模式实现。目前，尽管出现了一些关于调控圆极化波的多功能超表面，但是圆极化波两个正交旋向之间的固有耦合限制了超表面信息通道数量，严重制约着超表面信息容量的进一步扩展。因此，有学者通过组合几何和传输相位的方法实现了两个正交旋向通道的完全解耦。然而，基于该旋向解耦理论所实现的多功能超表面仅工作于反射或者透射模式下，在透反射模式下同时实现旋向解耦几何相位的多功能超表面还未见报道，它能够极大拓展信息通道数目，在信息传输领域有重要应用价值，其设计理论和方法亟待挖掘和发展。
本发明基于旋向解耦，结合FSS超表面公布了一款集成透、反射旋向电磁调控的四通道多功能超表面电磁器件。所公布的超表面可以在带通和带阻两个互相高度隔离的频段内分别实现两个模式下的圆极化波两个正交旋向通道完全解耦，实现了四通道多功能集成，进一步扩展了超表面信息通道数目和电磁空间调控范围，在国防和信息通讯领域有重要潜在应用。
发明内容
本发明目的在于提出一种在两个圆极化波正交旋向通道内对透射、反射电磁波进行全空间电磁操控的四通道多功能超表面集成器件及其设计方法。
本发明提供一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，其特征在于，所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件包括M*M个具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距周期延拓组成；所述超表面单元为六层金属结构，自上而下由六层金属和五层介质板交替层叠构成，自上而下的六层金属结构分别为第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层；自上而下的五层介质板分别为第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板和第五介质板；
所述第一金属层为十字金属环和交叉十字金属贴片金属谐振器；所述第二金属层为刻蚀有闭合圆环槽的地板结构；所述第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层为完全相同的矩形金属贴片，所述矩形金属贴片四周为矩形金属环；十字形金属谐振器工作频率为f2，矩形金属贴片工作频段为f1。
更近一步地，所述超表面结构参数为：
所述矩形金属环长度为P＝12mm，交叉十字金属贴片的宽度为w＝2.4mm，十字金属环的宽度为b＝0.2mm，十字金属环与交叉十字金属贴片之间的间隙为g1 1＝0.3mm，第一介质层和第二介质层的厚度为h1＝2mm，第三介质层、第四介质层和第五介质层厚度为h2＝1.5mm；第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层采用金属铜，厚度为0.036mm。
更近一步地，所述超表面在高频f2＝15.8GHz处具有反射模式下的左旋波束偏折功能和右旋波反射贝塞尔波束功能；在低频f1＝8.7GHz处具有透射模式下的左旋波电磁聚焦功能和右旋波透射四波束功能；
对于聚焦相位分布，相位分布满足以下方程：
Figure BDA0003842522350000031
其中，
Figure BDA0003842522350000032
表示聚焦功能的相位，λ代表工作频率所对应波长，x和y分别代表超表面单元距x轴和y轴的距离，F代表焦距；
对于四波束性能，利用交替投影算法优化口径相位分布的最终目的是通过一个闭合的迭代过程找到辐射场集合(集合A)与目标场集合(集合B)之间的交集；反射阵的辐射场由处在超表面位置(m,n)处单元的反射幅度和反射相位共同决定：
Figure BDA0003842522350000033
式中，T表示优化的辐射场，j表示复数(j^2＝-1)，k表示自由空间波矢，αm,n表示第(m,n)单元的反射幅度，I是所有单元的位置集合
Figure BDA0003842522350000034
Figure BDA0003842522350000035
θb和
Figure BDA0003842522350000036
分别是波束的方位角和俯仰角；
Figure BDA0003842522350000037
和
Figure BDA0003842522350000038
是单元分别在x和y方向上的位置；
为实现理想的四波束辐射，目标辐射场仍然需要满足两个限制条件；
分别利用下边界(ML＝0.707)和上边界(MU＝1)两个边界值来表征每个主波束的-3dB带宽；
B≡{T:T(u,v)＝ML(u,v)≤|T(u,v)|≤MU(u,v)}
为抑制旁瓣，旁瓣区域的辐射场必须满足第二个条件：
B≡{T:|T(u,v)|≤MU}
以下函数被用来限制旁瓣区域：
Figure BDA0003842522350000041
Tadp表示限制旁瓣区域的函数；
对于波束偏折功能，其相位分布满足以下关系：
Figure BDA0003842522350000042
其中，
Figure BDA0003842522350000043
是自由空间波矢，λ为工作频率所对应波长；
Figure BDA0003842522350000044
是第(i，j)单元的透射相位；Si,j是第(i,j)单元距馈源的距离；xi,j和yi,j是第(i,j)单元在直角坐标系中距x轴和y轴的距离；i为二维平面坐标系内x方向上单元，j为y方向上单元；θc和
Figure BDA0003842522350000045
分别是透射波的俯仰角和方位角；ψ是超表面单元的初始相位，在这里设置为0°；
对于贝塞尔波束，相位分布满足以下相位分布：
Figure BDA0003842522350000046
其中，
Figure BDA0003842522350000047
表示贝塞尔波束对应的相位。
更近一步地，为了在共极化通道实现100％的极化转化效率，同时调控其相位分布，单元应满足以下条件：
rxx＝-ryy
rxy＝ryx＝0
其中，ryx和ryy代表着x和y极化波入射下共极化反射系数，ryx和ryx代表着交叉极化反射系数；
不同通道下的圆极化波可以被调控，超表面单元的反射矩阵为：
Figure BDA0003842522350000048
其中，
Figure BDA0003842522350000051
表示反射的左旋圆极化波电场，
Figure BDA0003842522350000052
表示反射的右旋圆极化波电场，Rcirc表示圆极化波反射矩阵，
Figure BDA0003842522350000053
表示入射的左旋圆极化波电场，
Figure BDA0003842522350000054
表示入射的右旋圆极化波电场，
Figure BDA0003842522350000055
和
Figure BDA0003842522350000056
代表着左旋圆极化波LCP和右旋圆极化波RCP波入射下的反射相位；
为实现理想的四通道多功能集成，不同线极化波入射下的相位和结构旋转角度为：
Figure BDA0003842522350000057
Figure BDA0003842522350000058
Figure BDA0003842522350000059
其中，
Figure BDA00038425223500000510
表示左旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure BDA00038425223500000511
表示右旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure BDA00038425223500000512
表示x极化波入射下相位，
Figure BDA00038425223500000513
表示y极化波入射下相位，θ表示单元旋转角。
更近一步地，根据四个极化通道下的相位分布计算出交叉十字金属贴片和多层矩形金属贴片的相位和单元尺寸之间的关系，从而确定每个超表面单元的结构，完成超表面拓扑结构分布；
所述交叉十字金属贴片的宽度为w，沿x方向长度为lx，沿y方向长度为ly，所述十字金属环的宽度为b，所述十字金属环与交叉十字金属贴片之间的间隙为g1；
所述第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层的矩形金属贴片沿x方向长度为lw，沿y方向长度为lt，所述矩形金属环宽度为b，所述矩形金属环长度为P；
所述第一介质层和第二介质层的厚度为h1，第三介质层、第四介质层和第五介质层厚度为h2。
还提供了一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件设计方法，所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件设计方法包括以下步骤：
步骤1，将经典带通频率选择表面结构引入超表面，构建隔离透反射模式；
步骤2，将带有十字金属环的交叉十字金属贴片结构引入超表面，构建高频f2处的高效反射模式和旋向解耦相位调控，并进行仿真计算；
步骤3，将多层矩形金属贴片和矩形金属环结构引入超表面，构建低频f1处的高效透射模式和旋向解耦相位调控，并进行仿真计算；
步骤4，合成最终具有透、反射一体的六层结构，并评估透、反射模式的隔离度；
步骤5，预定超表面四个通道的四个特定功能，确定四种相位分布；
步骤6，根据四种相位分布，确定超表面拓扑结构，即口径上每个六层超表面单元结构，实现四功能集成器件。
更近一步地，在步骤5中，所述超表面选择左旋波透射聚焦、右旋波透射四波束、左旋波反射波束偏折和右旋波反射贝塞尔波束作为超表面四个功能；
对于聚焦相位分布，相位分布满足以下方程：
Figure BDA0003842522350000061
其中，
Figure BDA0003842522350000062
表示聚焦功能的相位，λ代表工作频率所对应波长，x和y分别代表超表面单元距x轴和y轴的距离，F代表焦距；
对于四波束性能，利用交替投影算法优化口径相位分布的最终目的是通过一个闭合的迭代过程找到辐射场集合(集合A)与目标场集合(集合B)之间的交集；反射阵的辐射场由处在超表面位置(m,n)处单元的反射幅度和反射相位共同决定：
Figure BDA0003842522350000063
式中，T表示优化的辐射场，j表示复数(j^2＝-1)，k表示自由空间波矢，αm,n表示第(m,n)单元的反射幅度，I是所有单元的位置集合
Figure BDA0003842522350000071
Figure BDA0003842522350000072
θb和
Figure BDA0003842522350000073
分别是波束的方位角和俯仰角；
Figure BDA0003842522350000074
和
Figure BDA0003842522350000075
是单元分别在x和y方向上的位置；
为实现理想的四波束辐射，目标辐射场仍然需要满足两个限制条件；
分别利用下边界(ML＝0.707)和上边界(MU＝1)两个边界值来表征每个主波束的-3dB带宽；
B≡{T:T(u,v)＝ML(u,v)≤|T(u,v)|≤MU(u,v)}
为抑制旁瓣，旁瓣区域的辐射场必须满足第二个条件：
B≡{T:|T(u,v)|≤MU}
以下函数被用来限制旁瓣区域：
Figure BDA0003842522350000076
Tadp表示限制旁瓣区域的函数；
对于波束偏折功能，其相位分布满足以下关系：
Figure BDA0003842522350000077
其中，
Figure BDA0003842522350000078
是自由空间波矢，λ为工作频率所对应波长；
Figure BDA0003842522350000079
是第(i，j)单元的透射相位；Si,j是第(i,j)单元距馈源的距离；xi,j和yi,j是第(i,j)单元在直角坐标系中距x轴和y轴的距离；i为二维平面坐标系内x方向上单元，j为y方向上单元；θc和
Figure BDA00038425223500000710
分别是透射波的俯仰角和方位角；ψ是超表面单元的初始相位，在这里设置为0°；
对于贝塞尔波束，相位分布满足以下相位分布：
Figure BDA00038425223500000711
其中，
Figure BDA0003842522350000081
表示贝塞尔波束对应的相位。
更近一步地，在步骤6中，为了在共极化通道实现100％的极化转化效率，同时调控其相位分布，单元应满足以下条件：
rxx＝-ryy
rxy＝ryx＝0
其中，ryx和ryy代表着x和y极化波入射下共极化反射系数，ryx和ryx代表着交叉极化反射系数；
不同通道下的圆极化波可以被调控，超表面单元的反射矩阵为：
Figure BDA0003842522350000082
其中，
Figure BDA0003842522350000083
表示反射的左旋圆极化波电场，
Figure BDA0003842522350000084
表示反射的右旋圆极化波电场，Rcirc表示圆极化波反射矩阵，
Figure BDA0003842522350000085
表示入射的左旋圆极化波电场，
Figure BDA0003842522350000086
表示入射的右旋圆极化波电场，
Figure BDA0003842522350000087
和
Figure BDA0003842522350000088
代表着左旋圆极化波LCP和右旋圆极化波RCP波入射下的反射相位；
为实现理想的四通道多功能集成，结构参数为：
Figure BDA0003842522350000089
Figure BDA00038425223500000810
Figure BDA00038425223500000811
其中，
Figure BDA00038425223500000812
表示左旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure BDA00038425223500000813
表示右旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure BDA00038425223500000814
表示x极化波入射下相位，
Figure BDA00038425223500000815
表示y极化波入射下相位。
更近一步地，基于四个极化通道下的相位分布，根据交叉十字金属贴片和多层矩形金属贴片的仿真计算结果的相位和单元尺寸之间的关系找到每个单元的结构尺寸，从而确定每个超表面单元的结构，完成超表面拓扑结构分布。
本发明达到的有益效果是：
本发明将分别工作在反射和透射模式下的两个金属谐振器集成在单一超表面设计中，实现了全空间电磁调控，扩大了电磁器件的应用范围。
本发明所公布的超表面在透射和反射模式下均具有旋向解耦特性，从而实现了透反射全旋向解耦多功能集成设计，为多功能电磁器件设计提供了新的技术途径。
本发明在透射和反射模式下采用了不同金属谐振器，从而实现了非对称性传输特性。
附图说明
图1为带通频率选择表面结构；
图2为由十字金属环和交叉十字金属贴片构成的谐振器结构；
图3为高频f2处不同结构参数下的反射电磁特性；(a)x极化波入射下反射幅度；(b)x极化波入射下反射相位；(c)y极化波入射下反射幅度；(d)y极化波入射下反射相位；
图4为矩形贴片和金属环结构；
图5为低频f1处不同结构参数下的反射电磁特性；(a)x极化波入射下反射幅度；(b)x极化波入射下反射相位；(c)y极化波入射下反射幅度；(d)y极化波入射下反射相位；
图6为单元结构示意图；(a)整体图；(b)分解图；
图7为超表面结构；(a)正面图；(b)反面图；
图8为高频f2处相位分布；(a)功能F3相位分布；(b)功能F4相位分布；(c)x极化波入射下共极化反射相位；(d)y极化波入射下共极化反射相位；(e)单元旋转角；
图9为不同频率处F3功能三维远场仿真结果；(a)15.7GHz处的三维远场图；(b)15.8GHz处的三维远场图；(c)15.9GHz处的三维远场图；
图10为不同频率处F3功能二维远场仿真结果；(a)15.7GHz处的二维方向图；(b)15.8GHz处的二维方向图；(c)15.9GHz处的二维方向图；
图11为不同频率处F4功能在yoz面内二维电场能量仿真结果；(a)15.7GHz处的二维电场能量分布；(b)15.8GHz处的二维电场能量分布；(c)15.9GHz处的二维电场能量分布；
图12为不同频率处F4功能在z＝100mm的xoy面内二维电场能量仿真结果(a)15.7GHz处的二维电场能量分布；(b)15.8GHz处的二维电场能量分布；(c)15.9GHz处的二维电场能量分布；
图13为不同频率处F4功能在z＝200mm的xoy面内二维电场能量仿真结果(a)15.7GHz处的二维电场能量分布；(b)15.8GHz处的二维电场能量分布；(c)15.9GHz处的二维电场能量分布；
图14为不同频率处F4功能在z＝300mm的xoy面内二维电场能量仿真结果(a)15.7GHz处的二维电场能量分布；(b)15.8GHz处的二维电场能量分布；(c)15.9GHz处的二维电场能量分布；
图15为不同频率处F4功能在z＝400mm的xoy面内二维电场能量仿真结果(a)15.7GHz处的二维电场能量分布；(b)15.8GHz处的二维电场能量分布；(c)15.9GHz处的二维电场能量分布；
图16为低频f1附近处相位分布；(a)功能F1相位分布；(b)功能F2相位分布；(c)x极化波入射下共极化反射相位；(d)y极化波入射下共极化反射相位；(e)单元旋转角；
图17为低频f1附近处yoz面内电场能量分布；(a)8.6GHz处电场能量分布；(b)8.7GHz处电场能量分布；(c)8.8GHz处电场能量分布；
图18为低频f1附近处xoy面内电场能量分布；(a)8.6GHz处电场能量分布；(b)8.7GHz处电场能量分布；(c)8.8GHz处电场能量分布；
图19为在馈源激发下低频f1附近处二维远场分布；(a)8.6GHz处二维远场分布；(b)8.7GHz处二维远场分布；(c)8.8GHz处二维远场分布；
图20为在馈源激发下低频f1附近处近场电场分布；(a)8.6GHz处近场电场分布；(b)8.7GHz处近场电场分布；(c)8.8GHz处近场电场分布；
图21为低频f1附近处四波束三维远场仿真结果；(a)8.6GHz处三维远场分布；(b)8.7GHz处三维远场分布；(c)8.8GHz处三维远场分布；
图22为低频f1附近处xoz面内二维远场仿真结果；(a)8.6GHz处二维远场分布；(b)8.7GHz处二维远场分布；(c)8.8GHz处二维远场分布；
图23为低频f1附近处yoz面内二维远场仿真结果；(a)8.6GHz处二维远场分布；(b)8.7GHz处二维远场分布；(c)8.8GHz处二维远场分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提出了一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件及其设计方法，该透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件是基于旋向解耦几何相位、在圆极化波激发下能对反射、透射电磁波进行全空间电磁操控的四功能超表面集成器件。四通道多功能集成器件在前向激发时，f2处左旋圆极化波(LCP)通道实现了反射波束偏折功能(F3)和右旋圆极化波(RCP)通道实现反射贝塞尔波束功能(F4)；f1处左旋圆极化波(LCP)通道实现了透射电磁聚焦功能(F1)和右旋圆极化波(RCP)通道实现透射四波束辐射功能(F2)。
具体的，本发明提出了一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件的设计方法，具体步骤如下：
步骤1，将经典带通频率选择表面结构(FSS)引入超表面，构建隔离透反射隔离模式；
受频率选择表面启发，在所设计的超表面单元中引入具有带通和带阻性能更好的圆环槽FSS作为频率选择层。用于在高频f2处充当金属地板功能，实现反射模式下独立的电磁调控。在低频f1处充当带通滤波器功能，实现透射模式下独立的电磁调控。
如图1所示，带通频率选择结构打印在F4B介质板上。为实现良好的带通和带阻性能，本发明在全金属板上设计了一个圆环槽，槽的半径设置为R，槽的缝隙宽度设置为g2；通过精心优化带通频率选择结构参数，全金属地板结构可以反射电磁波，在高频f2处起到带阻功能；然而，通过在全金属地板上开圆环槽，该结构在电磁波的激发下产生电谐振，从而在谐振频率f1处产生良好的电磁波透射性能，起到了很好的带通功能。通过在频率选择结构两侧设计相应的单元，可以在两个高度隔离的频率下实现透射和反射相位的独立调控。
步骤2，将带有十字金属环的交叉十字金属贴片结构引入超表面，构建高频f2处的高效反射模式和旋向解耦相位调控；
首先，在FSS层的上侧引入谐振器Ⅱ，谐振器Ⅱ由十字金属环和交叉十字金属贴片构成，并优化交叉十字金属贴片的宽度，使其工作频段与FSS层带阻频段相同步，实现高效的反射率；其次，在交叉十字金属贴片的外侧引入十字金属环，通过优化结构参数，在不改变阻带频段的同时实现更好的线极化模式隔离；最终，在x和y极化波入射下，通过改变与极化方向相平行方向上的结构尺寸，在相对应的共极化通道内分别实现360°相位调控。根据旋向解耦理论，该条件下可以实现高效旋向解耦的相位调控。
如图2所示，谐振器Ⅱ打印在厚度为h1的F4B介质板，两个沿x和y方向上的两个臂长分别为lx和ly。为独立调控正交线极化波入射下的共极化反射相位，本发明在交叉十字金属贴片的外层设计了宽度为b的十字金属环，十字金属环与交叉十字金属贴片之间的间隔为g1；优化交叉十字金属贴片结构参数，在保持其它结构参数不变的情况下，可以通过改变lx和ly实现两个正交线极化波入射下反射相位的独立调控。为验证以上所构造反射单元的电磁特性，本发明对其进行了仿真计算。在仿真的过程中，我们分别采用x极化波和y极化波进行仿真计算，计算结果如图3所示。图3(a)计算结果表明在频率f2处，在x极化波入射下，随着结构参数lx和ly的变化，反射幅度接近于1。根据图3(b)的仿真结果可知，反射相位随着参数lx的变化而变化，相位覆盖范围达360°，并且参数ly的变化不影响x极化波入射下反射相位的变化。同样的，图3(c)的仿真结果也表明，在y极化波入射下，随着结构参数lx和ly的变化，反射幅度接近于1。如图3(d)的仿真结果所示，反射相位随着参数ly的变化而变化，相位覆盖范围达360°，并且参数lx的变化不影响y极化波入射下反射相位的变化。以上仿真结果表明，正交线极化波入射下，在频率f2处通过调节两个正交方向上结构参数可以，可以独立调节两个正交极化波入射下的反射相位，且相位覆盖范围达到360°，满足旋向解耦条件。
步骤3，将多层矩形金属贴片和矩形金属环结构引入超表面，构建低频f1处的高效透射模式和旋向解耦相位调控；
在FSS层的下侧引入多层矩形金属贴片和金属环结构，并通过精心优化金属贴片结构的层数和结构参数，使其工作频段与FSS层带通频段相同步，实现高效的透射率；最终，在x和y极化波入射下，通过改变与极化方向相平行方向上的结构尺寸，在相对应的共极化通道内分别实现360°相位调控。根据旋向解耦理论，该条件下可以实现高效旋向解耦的相位调控。
如图4所示，矩形金属贴片和金属环打印在厚度为h2的F4B介质板，沿x和y方向上的两个结构参数分别被定义为lw和lt。为增加透射相位的覆盖范围，本发明在单元上引入宽度为b的金属环。为验证以上单元的透射电磁特性，本发明对其进行电磁仿真计算。图5(a)的仿真结果表明，在x极化波入射下，在不同结构参数下的透射幅度均在0.8以上。图5(b)的仿真结果表明，在x极化波入射下，当lw从5.4mm变化到9.4mm的过程中，透射相位变化范围达到360°，并且lt的变化不影响透射相位的改变；我们采用同样的方法对其y极化波入射下的电磁特性进行了仿真计算，如图5(c)所示，在y极化波入射下，在不同结构参数下的透射幅度均在0.8以上。图5(d)的仿真结果表明，在y极化波入射下，当lt从5.4mm变化到9.4mm的过程中，透射相位变化范围达到360°，并且lw的变化不影响透射相位的改变；以上仿真结果表明，正交线极化波入射下，在频率f1处通过调节两个正交方向上结构参数可以，可以独立调节两个正交极化波入射下的反射相位，且相位覆盖范围达到360°，满足旋向解耦条件。
步骤4，合成最终具有透、反射一体的六层结构，并评估透、反射模式的隔离度；
有了第二步的高效反射模式结构和第三步的高效透射模式结构，就可以构建最终兼透、反射一体的六层单元结构；根据能实现高效透射率、反射率以及透、反射高度隔离，使得最终超表面可在左旋圆极化和右旋圆极化通道下分别对透射波和反射波的相位进行独立调制。
最终合成的超表面单元如图6(a)所示，黄色代表金属结构，蓝色代表F4B结构，单元的周期为P。单元分解图如图6(b)所示，所设计的超表面单元由6层金属结构和5层介质板组成，共同构成具有透、反射一体的结构。图(3)和图(5)的电磁仿真结果证明了透反射模式的隔离度。
步骤5，预定超表面在四个通道的四个特定功能，确定四种相位分布；
选择左旋波透射聚焦、右旋波透射四波束、左旋波反射波束偏折和右旋波反射贝塞尔波束作为超表面四个功能，并计算合成超表面上的相位分布；
对于聚焦相位分布，相位分布满足以下方程：
Figure BDA0003842522350000151
其中，
Figure BDA0003842522350000152
表示聚焦功能的相位，λ代表工作频率所对应波长。x和y分别代表超表面单元距x轴和y轴的距离，F代表焦距，这里F＝150mm。
对于四波束性能，本发明采用了交替投影算法优化其相位分布。
利用交替投影算法优化口径相位分布的最终目的是通过一个闭合的迭代过程找到辐射场集合(集合A)与目标场集合(集合B)之间的交集。透射阵的辐射场由处在超表面位置(m,n)处单元的反射幅度和反射相位共同决定。
Figure BDA0003842522350000153
式中，T表示优化的辐射场，j表示复数(j^2＝-1)，k表示自由空间波矢，αm,n表示第(m,n)单元的反射幅度，I是所有单元的位置集合，
Figure BDA0003842522350000154
Figure BDA0003842522350000155
其中，θb和
Figure BDA0003842522350000156
分别是波束的方位角和俯仰角。
Figure BDA0003842522350000157
和
Figure BDA0003842522350000158
是单元分别在x和y方向上的位置。为实现理想的四波束辐射，目标辐射场仍然需要满足两个限制条件。首先，我们分别利用下边界(ML＝0.707)和上边界(MU＝1)两个边界值来表征每个主波束的-3dB带宽，这对于设计具有均匀幅度的高定向多波束是至关重要的。
B≡{T:T(u,v)＝ML(u,v)≤|T(u,v)|≤MU(u,v)}
除设计每个主波束之外，我们同时也要求旁瓣尽可能地被抑制。因此，为抑制旁瓣，旁瓣区域的辐射场必须满足第二个条件：
B≡{T:|T(u,v)|≤MU}
MU表示上边界。
一个函数被用来限制旁瓣区域：
Figure BDA0003842522350000161
Tadp表示限制旁瓣区域的函数。
对于波束偏折功能，其相位分布满足以下关系：
Figure BDA0003842522350000162
其中，
Figure BDA0003842522350000163
是自由空间波矢，λ为工作频率所对应波长；
Figure BDA0003842522350000164
是第(i，j)单元的透射相位；Si,j是第(i,j)单元距馈源的距离；xi,j和yi,j是第(i,j)单元在直角坐标系中距x轴和y轴的距离；i为二维平面坐标系内x方向上单元，j为y方向上单元；θc和
Figure BDA0003842522350000165
分别是透射波的俯仰角和方位角；ψ是超表面单元的初始相位，在这里设置为0°。
对于贝塞尔波束，相位分布满足以下相位分布：
Figure BDA0003842522350000166
其中，
Figure BDA0003842522350000167
表示贝塞尔波束对应的相位，β是贝塞尔波束的半波束角。
通过以上方法，本发明确定了四个极化通道下的相位分布。
步骤6，根据四种相位分布，确定超表面的拓扑结构，即口径上每个六层超表面单元的结构，实现四功能集成器件；
首先，改变谐振器Ⅱ旋转角和两个正交方向上结构参数，使其满足
Figure BDA0003842522350000168
和θ1分布，其中，
Figure BDA0003842522350000169
表示反射模式下x极化波反射相位，
Figure BDA00038425223500001610
表示反射模式下y极化波反射相位，θ1表示交叉十字金属贴片绕z轴顺时针旋转角度。保持其它结构参数不变，来实现反射模式下的波束偏折(即功能三、F3)和贝塞尔波束(即功能四、F4)；
然后，在保持以上结构不变的基础上，同时改变第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层的矩形金属贴片旋转角和两个正交方向上结构参数，使其满足
Figure BDA0003842522350000171
和θ2分布，其中，
Figure BDA0003842522350000172
表示透射模式下x极化波反射相位，
Figure BDA0003842522350000173
表示透射模式下y极化波反射相位，θ1表示第三、四、五和六层矩形金属贴片绕z轴顺时针旋转角度。保持其它结构参数不变，来实现透射模式下的聚焦(即功能一、F1)和四波束(即功能二、F2)。
在计算不同通道的电磁功能过程中我们引入了以下旋向解耦理论计算其相位分布，当入射电磁波为线极化波时，反射电磁波电磁性能可以用以下反射矩阵表示：
Figure BDA0003842522350000174
其中，式中rxx和ryy代表着x和y极化波入射下共极化反射系数，而rxy和ryx代表着x和y极化波入射下交叉极化反射系数。
当单元绕z轴旋转θ角度后，旋转后单元反射参数为：
Figure BDA0003842522350000175
其中，
Figure BDA0003842522350000176
代表着旋转矩阵。
当入射的电磁波波为圆极化波时，圆极化波基下的反射矩阵可以表示为：
Figure BDA0003842522350000177
其中，
Figure BDA0003842522350000178
圆极化波基下的反射系数可以表示为：
Figure BDA0003842522350000179
Figure BDA0003842522350000181
rRR＝{(rxx-ryy)cos(2θ)-(rxy+ryx)sin(2θ)+j[(rxx-ryy)sin(2θ)+(rxy+ryx)cos(2θ)]}/2 (3)
rRL＝[rxx+ryy-j(rxy-ryx)]/2 (4)
为了在共极化通道实现100％的极化转化效率，同时调控其相位分布，单元应满足以下条件，rxx＝-ryy，rxy＝ryx＝0。应用以上条件，圆基下的反射矩阵可以简化为：
Figure BDA0003842522350000182
如果不同通道下的圆极化波可以被调控，则单元反射矩阵可以被进一步推导为：
Figure BDA0003842522350000183
其中，
Figure BDA0003842522350000184
表示反射的左旋圆极化波电场，
Figure BDA0003842522350000185
表示反射的右旋圆极化波电场，Rcirc表示圆极化波反射矩阵，
Figure BDA0003842522350000186
表示入射的左旋圆极化波电场，
Figure BDA0003842522350000187
表示入射的右旋圆极化波电场，
Figure BDA0003842522350000188
和
Figure BDA0003842522350000189
代表着左旋圆极化波(LCP)和右旋圆极化波(RCP)波入射下的反射相位。为实现理想的四通道多功能集成，理想的相位和单元旋转角可以被进一步推导为：
Figure BDA00038425223500001810
Figure BDA00038425223500001811
Figure BDA00038425223500001812
其中，
Figure BDA00038425223500001813
表示左旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure BDA00038425223500001814
表示右旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure BDA00038425223500001815
表示x极化波入射下相位，
Figure BDA00038425223500001816
表示y极化波入射下相位，θ表示单元旋转角。
基于以上公式，本发明可以基于四个极化通道下的相位分布，如图3(b)和(d)以及图5(b)和(d)所示，根据步骤2和步骤3中对交叉十字金属贴片和多层矩形金属贴片的仿真计算相位和单元尺寸之间的关系找到每个单元的结构尺寸，从而确定每个超表面单元的结构，完成超表面拓扑结构建模，如图7所示。
本发明还提供了一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，由M*M个具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距周期延拓组成；要想实现上述四通道多功能集成，超表面单元必须为六层金属结构，自上而下由六层金属和5层介质板交替层叠构成，自上而下的六层金属结构分别被命名为第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层；自上而下的5层介质板被分别命名为第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板和第五介质板；第一金属层为由十字金属环和交叉十字金属贴片构成的谐振器Ⅱ；第二金属层为刻蚀有闭合圆环槽的地板结构；第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层为完全相同的矩形金属贴片和贴片四周为矩形金属环构成的谐振器I；谐振器II工作频率为f2，谐振器I工作频段为f1；
设六层超表面单元为方形且周期均为p，谐振器II工作频率为f2，谐振器I工作频段为f1，记超表面单元的结构参数如下：交叉十字金属贴片的宽度为w，沿x方向长度为lx，沿y方向长度为ly，十字金属环的宽度为b，十字金属环与交叉十字金属贴片之间的间隙为g1，矩形金属贴片沿x方向长度为lw，沿y方向长度为lt，第一介质层和第二介质层的厚度为h1，第三介质层、第四介质层和第五介质层厚度为h2，第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层的矩形金属环宽度为b，长度为P。
1、高频f2处双通道下的反射功能
首先，本发明在高频f2＝15.8GHz处设计反射模式下的左旋波束偏折功能，即功能F3和右旋波反射贝塞尔波束功能，即功能F4。这里，我们预定波束偏折方向为θ＝30°，
Figure BDA0003842522350000201
贝塞尔波束模式数为1，半波束宽度为15°。
如图8(a)和(b)所示，根据步骤五中所述的相位计算方法，计算出了高频f2处功能F3所对应的相位分布
Figure BDA0003842522350000202
和功能F4所对应的相位分布
Figure BDA0003842522350000203
然后，基于步骤六所述的理论，根据左旋和右旋通道下的功能相位计算x极化波入射下的共极化反射相位(图8(c))、y极化波入射下的共极化反射相位(图8(d))和单元的旋转角(图8(e))。根据所计算的相位分布找到每个超表面单元的拓扑结构，在全波仿真软件CST(2018)中通过VBA宏建模方式完成超表面设计。
对于F3功能，本发明采用工作在4～18GHz的圆极化喇叭作为馈源激励超表面，馈源距超表面中心的距离F＝194.4mm，该距离下更有利于抑制旁瓣水平，提高波束的高定向性。x、y和z方向的边界条件设置为open，在馈源端口设置TE和TM两种模式，并且保证两种模式幅度相等，相位相差90°，使其辐射出左旋圆极化波。通过设置远场监视器，计算出频率f2处的三维远场和二维方向图。如图9所示，我们首先计算出了三个不同频率处的三维远场分布图。三维远场仿真结果表明，在三个不同频率处高定向反射波束指向了空间中θ＝30°，
Figure BDA0003842522350000204
方向，增益达到25dB，并且副瓣受到了极大抑制，低于主波束10dB。为进一步表征其性能，我们仿真计算了在
Figure BDA0003842522350000205
面内的二维远场的远场方向图。图10展示了归一化的二维远场方向图，仿真结果表明在三个不同频率处高定向反射波束出现在了空间中θ＝30°，
Figure BDA0003842522350000206
方向，并且副瓣水平远远低于主波束，低于主波束10dB。以上仿真结果均表明，在f2处可以实现左旋波束偏折功能，证明了本发明设计的可行性。
接下来，对其右旋极化波通道下的一阶反射贝塞尔波束进行仿真计算。同样的，x、y和z方向的边界条件设置为open，采用右旋圆极化平面波作为激励激发超表面，通过设置近场监视器计算其近场结果。首先，我们计算了在xoz面中的近场电场能量分布。如图11所示，在频率15.7GHz、15.8GHz和15.9GHz处焦距大约出现在了z轴方向200mm处，并且随着波束的传播，能量表现出了先增强后减弱的波束传输特性，符合贝塞尔波束无衍射特性。如图12-15所示，为进一步表征其电磁性能，我们分别计算了在平面z＝100mm、200mm、300mm和400mm平面内的电场能量分布。图12-15的仿真结果表面，在三个不同频率处均出现了非衍射的贝塞尔波束，其中性能随着传输方向先变好再逐渐变差，其中在焦距200mm处的贝塞尔波束性能最好，这与xoz面内的电磁特性相吻合。以上不同情况下的仿真结果表明，在右旋圆极化波的入射下，所设计的超表面实现了反射贝塞尔波束性能，证明了设计的可行性。
最后，以上仿真结果表明在高频f2＝15.8GHz处反射模式下，所设计的电磁超表面在左旋圆极化通道内实现了波束偏折功能，而在右旋圆极化通道内实现了反射贝塞尔波束性能。
2、低频f1处双通道下的透射功能
本发明在低频f1＝8.7GHz处设计透射模式下的左旋波电磁聚焦功能，即功能F1和右旋波透射四波束功能，即功能F2。这里，我们预定焦距F＝150mm，四个波束的偏折方向
Figure BDA0003842522350000211
分别为(30°，0°)、(30°，90°)、(30°，180°)和(30°，270°)。
如图16(a)和(b)所示，根据步骤五中所述的相位计算方法，计算出了低频f1处功能F1所对应的相位分布
Figure BDA0003842522350000212
和功能F2所对应的相位分布
Figure BDA0003842522350000213
然后，基于步骤六所述的理论，根据左旋和右旋通道下的功能相位计算x极化波入射下的共极化反射相位(图16(c))、y极化波入射下的共极化反射相位(图16(d))和单元的旋转角(图16(e))。根据所计算的相位分布找到每个超表面单元的拓扑结构，在全波仿真软件CST(2018)中通过VBA宏建模方式完成超表面设计。
对于功能F1，本发明采用左旋圆极化波作为激励激发超表面，x、y和z方向均采用open边界条件。通过设置近场电场监视器，计算出了yoz面和xoy面内的电场能量分布。如图17所示，在yoz面内，能量集中在了z＝150mm位置处，证明了焦点出现在了该位置。同时，通过图18所示的仿真结果可以看出，在z＝150mm的xoy面内，能量集中在了中心位置，进一步证明了焦点位置。根据光路可逆原理，当采用位于焦点位置的喇叭馈源天线激发超表面是，经过超表面电磁调控之后，出射的电磁波将表现出完美的平面波前，提高馈源天线的波束定向性，进一步增加其增益。为证明以上性能，本发明将左旋圆极化馈源置于焦点位置，通过馈源激发超表面。图19所示的二维远场仿真结果表明，在馈源的激发下，超表面分别在8.6GHz、8.7GHz和8.8GHz处实现了高定向波束，并且旁瓣水平低于主波束10dB。为进一步证明其波束定向性，我们进一步计算了其近场电场分布，仿真结果如图20所示。图20的近场仿真结果表明，在三个不同频率处，位于焦点位置的馈源天线辐射的球形波前经过电磁超表面调控之后转换为了平行波前，其中在目标频率f1处性能最好，证明了其波束的高定向性。
对于功能F2，本发明采用右旋圆极化馈源激发超表面，其中馈源距超表面中心距离F＝194.4mm。同样的，x、y和z方向均采用open边界条件。通过设置近场和远场电场监视器，分别计算了目标频率f1附近三个不同频率下的仿真结果。从图21所示的三维远场仿真结果可知，在8.6GHz、8.7GHz和8.8GHz处实现了四波束辐射性能，4个高定向波束精准指向了空间中预定的4个方向，其中单个波束增益达到了16dB，旁瓣水平低于主波束10dB。为进一步表征其四波束性能，我们分别计算了在xoz面和yoz面内的远场电场。如图22所示，在三个不同频率的xoz面内，两个高定向主波束分被出现在了θ＝±30°方向上，并且旁瓣水平低于主波束10dB。同样的性能也出现在了yoz面内，如图23所示。
最后，以上仿真结果表明在低频f1＝8.7GHz处反射模式下，所设计的电磁超表面在左旋圆极化通道内实现了电磁聚焦功能，而在右旋圆极化通道内实现了四波束辐射性能。
发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，其特征在于，所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件包括M*M个具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距周期延拓组成；所述超表面单元为六层金属结构，自上而下由六层金属和五层介质板交替层叠构成，自上而下的六层金属结构分别为第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层；自上而下的五层介质板分别为第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板和第五介质板；
所述第一金属层为十字金属环和交叉十字金属贴片金属谐振器；所述第二金属层为刻蚀有闭合圆环槽的地板结构；所述第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层为完全相同的矩形金属贴片，所述矩形金属贴片四周为矩形金属环；十字形金属谐振器工作频率为f2，矩形金属贴片工作频段为f1。
2.根据权利要求1所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，其特征在于，所述超表面结构参数为：
所述矩形金属环长度为P＝12mm，交叉十字金属贴片的宽度为w＝2.4mm，十字金属环的宽度为b＝0.2mm，十字金属环与交叉十字金属贴片之间的间隙为g11＝0.3mm，第一介质层和第二介质层的厚度为h1＝2mm，第三介质层、第四介质层和第五介质层厚度为h2＝1.5mm；第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层采用金属铜，厚度为0.036mm。
3.根据权利要求1所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，其特征在于，所述超表面在高频f2＝15.8GHz处具有反射模式下的左旋波束偏折功能和右旋波反射贝塞尔波束功能；在低频f1＝8.7GHz处具有透射模式下的左旋波电磁聚焦功能和右旋波透射四波束功能；
对于聚焦相位分布，相位分布满足以下方程：
Figure FDA0003842522340000021
其中，
Figure FDA0003842522340000022
表示聚焦功能的相位，λ代表工作频率所对应波长，x和y分别代表超表面单元距x轴和y轴的距离，F代表焦距；
对于四波束性能，利用交替投影算法优化口径相位分布的最终目的是通过一个闭合的迭代过程找到辐射场集合(集合A)与目标场集合(集合B)之间的交集；反射阵的辐射场由处在超表面位置(m,n)处单元的反射幅度和反射相位共同决定：
Figure FDA0003842522340000023
式中，T表示优化的辐射场，j表示复数(j^2＝-1)，k表示自由空间波矢，αm,n表示第(m,n)单元的反射幅度，I是所有单元的位置集合
Figure FDA0003842522340000024
Figure FDA0003842522340000025
θb和
Figure FDA0003842522340000026
分别是波束的方位角和俯仰角；
Figure FDA0003842522340000027
和
Figure FDA0003842522340000028
是单元分别在x和y方向上的位置；
为实现理想的四波束辐射，目标辐射场仍然需要满足两个限制条件；
分别利用下边界(ML＝0.707)和上边界(MU＝1)两个边界值来表征每个主波束的-3dB带宽；
B≡{T:T(u,v)＝ML(u,v)≤|T(u,v)|≤MU(u,v)}
为抑制旁瓣，旁瓣区域的辐射场必须满足第二个条件：
B≡{T:|T(u,v)|≤MU}
以下函数被用来限制旁瓣区域：
Figure FDA0003842522340000031
Tadp表示限制旁瓣区域的函数；
对于波束偏折功能，其相位分布满足以下关系：
Figure FDA0003842522340000032
其中，
Figure FDA0003842522340000033
是自由空间波矢，λ为工作频率所对应波长；
Figure FDA0003842522340000034
是第(i，j)单元的透射相位；Si,j是第(i,j)单元距馈源的距离；xi,j和yi,j是第(i,j)单元在直角坐标系中距x轴和y轴的距离；i为二维平面坐标系内x方向上单元，j为y方向上单元；θc和
Figure FDA0003842522340000035
分别是透射波的俯仰角和方位角；ψ是超表面单元的初始相位，在这里设置为0°；
对于贝塞尔波束，相位分布满足以下相位分布：
Figure FDA0003842522340000036
其中，
Figure FDA0003842522340000037
表示贝塞尔波束对应的相位。
4.根据权利要求3所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，其特征在于，为了在共极化通道实现100％的极化转化效率，同时调控其相位分布，单元应满足以下条件：
rxx＝-ryy
rxy＝ryx＝0
其中，ryx和ryy代表着x和y极化波入射下共极化反射系数，ryx和ryx代表着交叉极化反射系数；
不同通道下的圆极化波可以被调控，超表面单元的反射矩阵为：
Figure FDA0003842522340000038
其中，
Figure FDA0003842522340000039
表示反射的左旋圆极化波电场，
Figure FDA00038425223400000310
表示反射的右旋圆极化波电场，Rcirc表示圆极化波反射矩阵，
Figure FDA0003842522340000041
表示入射的左旋圆极化波电场，
Figure FDA0003842522340000042
表示入射的右旋圆极化波电场，
Figure FDA0003842522340000043
和
Figure FDA0003842522340000044
代表着左旋圆极化波LCP和右旋圆极化波RCP波入射下的反射相位；
为实现理想的四通道多功能集成，不同线极化波入射下的相位和结构旋转角度为：
Figure FDA0003842522340000045
Figure FDA0003842522340000046
Figure FDA0003842522340000047
其中，
Figure FDA0003842522340000048
表示左旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure FDA0003842522340000049
表示右旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure FDA00038425223400000410
表示x极化波入射下相位，
Figure FDA00038425223400000411
表示y极化波入射下相位，θ表示单元旋转角。
5.根据权利要求4所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，其特征在于，基于计算的四个极化通道下的相位分布，根据交叉十字金属贴片和多层矩形金属贴片的相位和单元尺寸之间的关系，从而确定每个超表面单元的结构，完成超表面拓扑结构分布；
所述交叉十字金属贴片的宽度为w，沿x方向长度为lx，沿y方向长度为ly，所述十字金属环的宽度为b，所述十字金属环与交叉十字金属贴片之间的间隙为g1；
所述第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层的矩形金属贴片沿x方向长度为lw，沿y方向长度为lt，所述矩形金属环宽度为b，所述矩形金属环长度为P；
所述第一介质层和第二介质层的厚度为h1，第三介质层、第四介质层和第五介质层厚度为h2。
6.一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件设计方法，其特征在于，所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件设计方法包括以下步骤：
步骤1，将经典带通频率选择表面结构引入超表面，构建隔离透反射模式；
步骤2，将带有十字金属环的交叉十字金属贴片结构引入超表面，构建高频f2处的高效反射模式和旋向解耦相位调控，并进行仿真计算；
步骤3，将多层矩形金属贴片和矩形金属环结构引入超表面，构建低频f1处的高效透射模式和旋向解耦相位调控，并进行仿真计算；
步骤4，合成最终具有透、反射一体的六层结构，并评估透、反射模式的隔离度；
步骤5，预定超表面四个通道的四个特定功能，确定四种相位分布；
步骤6，根据四种相位分布，确定超表面拓扑结构，即口径上每个六层超表面单元结构，实现四功能集成器件。
7.根据权利要求6所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件的设计方法，其特征在于，在步骤5中，所述超表面选择左旋波透射聚焦、右旋波透射四波束、左旋波反射波束偏折和右旋波反射贝塞尔波束作为超表面四个功能；
对于聚焦相位分布，相位分布满足以下方程：
Figure FDA0003842522340000051
其中，
Figure FDA0003842522340000052
表示聚焦功能的相位，λ代表工作频率所对应波长，x和y分别代表超表面单元距x轴和y轴的距离，F代表焦距；
对于四波束性能，利用交替投影算法优化口径相位分布的最终目的是通过一个闭合的迭代过程找到辐射场集合(集合A)与目标场集合(集合B)之间的交集；反射阵的辐射场由处在超表面位置(m,n)处单元的反射幅度和反射相位共同决定：
Figure FDA0003842522340000053
式中，T表示优化的辐射场，j表示复数(j^2＝-1)，k表示自由空间波矢，αm,n表示第(m,n)单元的反射幅度，I是所有单元的位置集合
Figure FDA0003842522340000061
Figure FDA0003842522340000062
θb和
Figure FDA0003842522340000063
分别是波束的方位角和俯仰角；
Figure FDA0003842522340000064
和
Figure FDA0003842522340000065
是单元分别在x和y方向上的位置；
为实现理想的四波束辐射，目标辐射场仍然需要满足两个限制条件；
分别利用下边界(ML＝0.707)和上边界(MU＝1)两个边界值来表征每个主波束的-3dB带宽；
B≡{T:T(u,v)＝ML(u,v)≤|T(u,v)|≤MU(u,v)}
为抑制旁瓣，旁瓣区域的辐射场必须满足第二个条件：
B≡{T:|T(u,v)|≤MU}
以下函数被用来限制旁瓣区域：
Figure FDA0003842522340000066
Tadp表示限制旁瓣区域的函数；
对于波束偏折功能，其相位分布满足以下关系：
Figure FDA0003842522340000067
其中，
Figure FDA0003842522340000068
是自由空间波矢，λ为工作频率所对应波长；
Figure FDA0003842522340000069
是第(i，j)单元的透射相位；Si,j是第(i,j)单元距馈源的距离；xi,j和yi,j是第(i,j)单元在直角坐标系中距x轴和y轴的距离；i为二维平面坐标系内x方向上单元，j为y方向上单元；θc和
Figure FDA00038425223400000610
分别是透射波的俯仰角和方位角；ψ是超表面单元的初始相位，在这里设置为0°；
对于贝塞尔波束，相位分布满足以下相位分布：
Figure FDA0003842522340000071
其中，
Figure FDA0003842522340000072
表示贝塞尔波束对应的相位。
8.根据权利要求7所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件的设计方法，其特征在于，在步骤6中，为了在共极化通道实现100％的极化转化效率，同时调控其相位分布，单元应满足以下条件：
rxx＝-ryy
rxy＝ryx＝0
其中，ryx和ryy代表着x和y极化波入射下共极化反射系数，ryx和ryx代表着交叉极化反射系数；
不同通道下的圆极化波可以被调控，超表面单元的反射矩阵为：
Figure FDA0003842522340000073
其中，
Figure FDA0003842522340000074
表示反射的左旋圆极化波电场，
Figure FDA0003842522340000075
表示反射的右旋圆极化波电场，Rcirc表示圆极化波反射矩阵，
Figure FDA0003842522340000076
表示入射的左旋圆极化波电场，
Figure FDA0003842522340000077
表示入射的右旋圆极化波电场，
Figure FDA0003842522340000078
和
Figure FDA0003842522340000079
代表着左旋圆极化波LCP和右旋圆极化波RCP波入射下的反射相位；
为实现理想的四通道多功能集成，结构参数为：
Figure FDA00038425223400000710
Figure FDA00038425223400000711
Figure FDA00038425223400000712
其中，
Figure FDA00038425223400000713
表示左旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure FDA00038425223400000714
表示右旋圆极化通道下的功能相位分布，
Figure FDA00038425223400000715
表示x极化波入射下相位，
Figure FDA00038425223400000716
表示y极化波入射下相位。
9.根据权利要求8所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件的设计方法，其特征在于，基于四个极化通道下的相位分布，根据交叉十字金属贴片和多层矩形金属贴片的仿真计算相位和单元尺寸之间的关系找到每个单元的结构尺寸，从而确定每个超表面单元的结构，完成超表面拓扑结构建模。
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