CN211507911U - Ku波段超周期元胞及全相位覆盖波束偏折器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种Ku波段超周期元胞及全相位覆盖波束偏折器，Ku波段超周期元胞包括四个第一类超表面单元和一个第二类超表面单元；第一类超表面单元由三个第一超表面层构成，第一超表面层包括亚波长金属框、第一共振体和第一介质基板，亚波长金属框和第一共振体设置在第一介质基板上，第一共振体位于亚波长金属框内；第二类超表面单元包括两个第二超表面层，第二超表面层包括第二介质基板以及第二共振体，在两个第二超表面层之间平行设置有第三介质基板；第一共振体和第二共振体均为耶路撒冷十字形金属结构；四个第一类超表面单元、一个第二类超表面单元按透射相位由小到大无缝拼接成一排。本实用新型具有超薄、全相位覆盖、高折射率的效果。

Description

Ku波段超周期元胞及全相位覆盖波束偏折器

技术领域

本实用新型涉及电磁超表面的技术领域，尤其是涉及一种Ku波段超周期元胞及全相位覆盖波束偏折器。

背景技术

超表面是一种灵活的人工层状材料，其在光学方面的应用尤其是波前调制方面的应用很多，主要用来制作四分之一波片、半波片、偏振片、超透镜、准全息图、光学涡旋生成器等。人工电磁超表面的提出使各个波段的电磁波调控器件获得了新的设计思路,利用亚波长尺寸的超表面宏观序列可以获得波束的任意相位分布,从而实现对电磁波的精准调控。其中，一个应用就是通过不同的材料改变折反射的相位梯度任意控制反射光线的传播路径来设计波束偏折器。

目前，通过相位梯度超表面原理设计的波束偏折器一般采用具有较多层的超表面单元来实现所需要的相位覆盖，这使得波束偏折器比较厚，并且，一般只能产生特定的相位覆盖范围，不能实现高效的异常折射。因此，如何设计超薄、全相位覆盖、高折射率的波束偏折器成为本领域亟需解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的一是提供一种Ku波段超周期元胞，能够用来设计具有超薄、全相位覆盖、高折射率的Ku波段波束偏折器。

本实用新型的上述实用新型目的一是通过以下技术方案得以实现的：

一种Ku波段超周期元胞，包括四个第一类超表面单元和一个第二类超表面单元；每个所述第一类超表面单元均由三个同向平行设置的第一超表面层构成，每个所述第一超表面层均包括亚波长金属框、第一共振体和第一介质基板，所述亚波长金属框和所述第一共振体均设置在所述第一介质基板上，所述第一共振体位于所述亚波长金属框内；所述第二类超表面单元包括两个同向平行设置的第二超表面层，每个所述第二超表面层均包括第二介质基板以及设置在所述第二介质基板上的第二共振体，在两个所述第二超表面层之间平行设置有第三介质基板；所述第一共振体和所述第二共振体均为耶路撒冷十字形金属结构，每个第一共振体的尺寸大小均不同，第二共振体与各第一共振体的尺寸大小均不同；所述第二介质基板和所述第三介质基板的形状大小均相同；两个所述第二超表面层与第三介质基板的距离均为h，相邻两个第一超表面层的距离均为h；四个第一类超表面单元、一个第二类超表面单元按透射相位由小到大无缝拼接成一排，所述第二类超表面单元的透射相位最大，任意相邻两个所述第一类超表面单元之间的相位差均为72°，所述第二类超表面单元与其相邻的第一类超表面单元之间的相位差为72°。

通过采用上述技术方案，利用两种不同构型的超表面单元实现覆盖360°相位的最薄(层数最少)的超周期元胞，并可以应用于波束偏折器，以获得具有超薄、全相位覆盖、高折射率的波束偏折器，还有望应用于低成本雷达、智能天线罩和电磁隐身等技术领域。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一共振体、所述第二共振体均由两个相同的工字形结构组成，所述两个相同的工字形结构的中心互相垂直交叉，所述工字形结构为轴对称结构。

通过采用上述技术方案，将第一共振体、第二共振体设计为高度对称结构，使第一类超表面单元、第二类超表面单元具有高对称性，可以提高透射率。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一共振体、所述亚波长金属框和所述第一介质基板同心设置；所述第二共振体和所述第二介质基板同心设置。

通过采用上述技术方案，可以进一步实现第一类超表面单元、第二类超表面单元的对称性、高透射率。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述亚波长金属框的平面形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形或者菱形。

通过采用上述技术方案，只要保证亚波长金属框的尺寸为亚波长，即波长大于金属框孔径的电磁波是不能透过亚波长金属框的，亚波长金属框的平面形状可以是任意形状。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述亚波长金属框与所述第一介质基板的形状大小相同。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一介质基板、所述第二介质基板、所述第三介质基板的平面形状均为正方形，所述第一介质基板与所述第二介质基板的尺寸大小相同。

通过采用上述技术方案，将第一类超表面单元与第二类超表面单元设计为相同规格，可以方便各第一类超表面单元以及第二类超表面单元之间的拼接，以及后续的周期性排列设计。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述第三介质基板均为相对介电常数为2.95+0.05i、厚度为0.25mm的F4B介质基板。

本实用新型的目的二是提供一种全相位覆盖波束偏折器，其具有超薄、全相位覆盖、高折射率的效果。

本实用新型的上述实用新型目的二是通过以下技术方案得以实现的：

一种全相位覆盖波束偏折器，包括至少一个上述的超周期元胞，所述至少一个超周期元胞呈周期性排列并无缝拼接形成超表面。

通过采用上述技术方案，利用两种不同构型的超表面单元实现覆盖360°相位的最薄(层数最少)的超周期元胞，并可以应用于波束偏折器，以获得工作频率在16GHz、绝对效率为90％、偏折角为48.6°的波束偏折器，其具有超薄、全相位覆盖、高折射率优点。

综上所述，本实用新型包括以下至少一种有益技术效果：

1.利用两种不同构型的超表面单元实现覆盖360°相位的最薄(层数最少)的超周期元胞，并可以应用于波束偏折器，以获得具有超薄、全相位覆盖、高折射率的波束偏折器，还有望应用于低成本雷达、智能天线罩和电磁隐身等技术领域；

2.将第一共振体、第二共振体设计为高度对称结构，使第一类超表面单元、第二类超表面单元具有高对称性，可以提高透射率；

3.将第一类超表面单元与第二类超表面单元设计为相同规格，可以方便各第一类超表面单元以及第二类超表面单元之间的拼接，以及后续的周期性排列设计。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的Ku波段超周期元胞的立体结构示意图。

图2是本实用新型实施例一中第一类超表面单元的三层结构的立体结构示意图。

图3是本实用新型实施例一中第二类超表面单元的三层结构的立体结构示意图。

图4是本实用新型实施例一的超周期元胞最上、下两层的xy平面结构示意图。

图5是本实用新型实施例二的最上、下两层的xy平面结构示意图。

图6示本实用新型实施例二的中间一层的xy平面结构示意图。

图7是本实用新型实施例二的xz平面结构示意图。

图8是本实用新型实施例二所需的透射系数和相位分布示意图。

图9是本实用新型实施例中第一类超表面单元的透射幅度(实线)和相位(虚线)随比例因子χ的变化关系图。

图10是本实用新型实施例中第二类超表面单元的透射幅度(实线)和相位(虚线)随比例因子χ的变化关系图。

图11是本实用新型实施例中CMT计算(实线)和FDTD仿真(虚线)得到的第二类超表面单元的透射系数的极坐标图。

图12是本是实用新型实施例二在16GHz的远场辐射强度分布图。

图13是本是实用新型实施例二在16GHz的电场分布图。

图中，1、Ku波段超周期元胞，11、第一类超表面单元，111、第一超表面层，1111、亚波长金属框，1112、第一共振体，1113、第一介质基板，12、第二类超表面单元，121、第二超表面层，1211、第二介质基板，1212、第二共振体，122、第三介质基板。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一：

参照图1，为本实用新型实施例公开的一种Ku波段超周期元胞，该Ku波段超周期元胞1由第一类超表面单元11a、第一类超表面单元11b、第一类超表面单元11c、第一类超表面单元11d和一个第二类超表面单元12在xy平面无缝拼接成一排而成。

如图2所示，每个第一类超表面单元11均由三个同向平行设置的第一超表面层111构成，每个第一超表面层111均包括亚波长金属框1111、第一共振体1112和第一介质基板1113，亚波长金属框1111和第一共振体1112均设置在第一介质基板1113上，第一共振体1112位于亚波长金属框1111内。

如图3所示，第二类超表面单元12包括两个同向平行设置且相同的第二超表面层121，每个第二超表面层121均包括第二介质基板1211以及设置在第二介质基板1211上的第二共振体1212，两个第二超表面层121之间平行设置有第三介质基板122。

该Ku波段超周期元胞1具有三层结构，因此，在将第一类超表面单元11与第二类超表面单元12进行拼接时，要保证第一类超表面单元11与第二类超表面单元12的三层结构的各间距是相等的，也就是说，相邻两个第一超表面层111的间距相等，均为h；第三介质基板122与上下两个第二超表面层121的间距是相等的，也均为h。

本实施例中，第一共振体1112和第二共振体1212均为耶路撒冷十字形金属结构。具体的，如图2、图3所示，第一共振体1112、第二共振体1212均由两个相同的工字形结构组成，两个相同的工字形结构的中心互相垂直交叉，工字形结构为轴对称结构；每个工字形结构均包括一个第一一字形结构和两个第二一字形结构，第一一字形结构的两端各垂直连接于一个第二一字形结构的中心。其中，两个工字形结构中第一一字形结构的长度分别为l₁、l₂，第二一字形结构的长度相同，均为s，第一一字形结构和第二一字形结构的宽度相同，均为w。

本实施例中，第一共振体1112、第二共振体1212以及亚波长金属框1111的材质可选用铜。

可选的，第一共振体1112、亚波长金属框1111和第一介质基板1113同心设置；第二共振体1212和第二介质基板1211同心设置。

可选的，亚波长金属框1111的xy平面形状可以是正方形、长方形、圆形、椭圆形或者菱形，只要其尺寸比入射光波波长小即可；亚波长金属框1111与第一介质基板1113的形状大小相同(如图1所示)。如图2所示，亚波长金属框1111的尺寸为P，若是正方形则边长为P，若是长方形则长为P，若是圆形则直径为P，若是椭圆形则长轴为P。

本实施例中的无缝拼接是指同一层的介质基板之间的拼接，因此，相邻两个第一类超表面单元11的亚波长金属框1111之间可以相接为一体结构(如图1所示)，也可以不接触(如图4所示)。

此外，将所有介质基板的形状大小设计为相同的，即第一介质基板1113、第二介质基板1211、第三介质基板122的平面形状且尺寸大小(包括厚度)均相同。可选的，第一介质基板1113、第二介质基板1211和第三介质基板122均为相对介电常数为2.95+0.05i、厚度为0.25mm的F4B介质基板。

通过对每个第一共振体1112以及第二共振体1212的具体尺寸进行调节，使每个第一共振体1112的尺寸大小均不同，第二共振体1212与各第一共振体1112的尺寸大小也均不同，进而使该Ku波段超周期元胞1具有全相位覆盖。具体的，如图1、图4所示，按透射相位由小到大对四个第一类超表面单元11和第二类超表面单元12进行排序，第二类超表面单元12的透射相位最大，相邻两个超表面单元之间的相位差均为72°。

实施例二：

本实用新型实施例公开了一种全相位覆盖波束偏折器，包括至少一个实施例一所述的Ku波段超周期元胞1，所有Ku波段超周期元胞1在xy平面上沿x轴和y轴向外延伸，呈周期性排列并无缝拼接形成超表面结构。

由于Ku波段超周期元胞1是三层结构，因此，由Ku波段超周期元胞1构成的波束偏折器也是三层结构。图5示出了该波束偏折器最上、下两层的xy平面结构示意图，图6示出了该波束偏折器中间一层的xy平面结构示意图。

需要注意的是，图5、图6仅示出了利用8个Ku波段周期元胞1呈周期性排列组成超表面结构的一种示例，Ku波段超周期元胞1的数量与入射光束半径有关。

以下对如何通过设计第一共振体1112以及第二共振体1212的具体尺寸使Ku波段超周期元胞1具有全相位覆盖进行说明。

如图7所示，入射光垂直入射到波束偏折器，形成异常折射角。如图8所示，Ku波段超周期元胞1含有5个超表面单元，两个相邻的超表面单元的相位差为72°，图8中，空心五角星和实心五角星分别表示第一类超表面单元11(不透明背景三模)和第二类超表面单元12(透明背景两模)的透射相位和幅值。选取工作频率为16GHz，线性相位梯度为ξ＝0.75k₀，波束偏折器的异常折射角为θ＝arcsinξ/k₀＝48.6°。这些超表面单元在工作频率处具有很高的透射率和不同的相位，并且这些相位应当在360°的范围内线性的变化。

本实用新型将具有较薄的厚度、但是相位分布可以互相补偿的不同类型的超原子组合在一起来设计波束偏折器。选用第一类超表面单元11这种不透明背景三层体系(相位覆盖在240°左右)作为主要的超单元设计平台。首先优化层间距离h以将体系驱动到最佳相位覆盖区域；然后通过调整共振体结构的尺寸，以找到可以提供所需透射相位的超表面单元。选取h＝5mm、P＝5mm、w＝0.25mm，设定l₁＝l₂＝χl₀,s＝χs₀,(l₀＝3mm,s₀＝2mm)，在h、P、w不变的情况下，改变其它几何参数。根据图8结果，选取63°,135°,207°,279°传输相位的四个第一类超表面单元11，这四个单元对应的χ分别为0.586、0.815、0.943、1.005。也就是说，第一类超表面单元11a中l₁＝l₂＝1.758mm、s＝1.172mm，传输相位为63°；第一类超表面单元11b中l₁＝l₂＝2.445mm、s＝1.63mm，传输相位为135°第一类超表面单元11c中l₁＝l₂＝2.829mm、s＝1.886mm，传输相位为207°，第一类超表面单元11中l₁＝l₂＝3.015mm、s＝2.01mm，传输相位为279°。

如图9所示，通过改变第一共振体1112结构的大小，利用不透明背景三层体系可以获得覆盖56°～304°、透射率大于85％的第一类超表面单元11。

然而，由于这种模型对相位覆盖的固有限制导致无法基于该体系寻找到透射相位为351°的可用超表面单元，因此，有必要找到另一种可以提供原体系无法覆盖的相位的超表面单元，可以用透明背景下的两模体系来补充不透明背景三模体系无法提供的相位。如图10所示，利用透明背景两层体系寻找覆盖所需相位的超表面单元的附加平台，经过仿真优化，发现具有几何参数P＝5mm,s＝2.286mm,l₁＝l₂＝3.429mm,w＝0.25mm,h＝5mm的第二类超表面单元12可以提供所需要的351°的相位。图11是在该几何参数下由FDTD仿真和CMT拟合得到的透射谱图，其中CMT的拟合参数为f₀＝16.94GHz,κ＝-0.4GHz,Γ₀＝0.68GHz,η＝0.53π，由图可见，FDTD结果和CMT结果非常吻合。

在获得所有具有所需相位的超表面单元后，利用由这些超表面单元组成的Ku波段超周期元胞构建波束偏折器。通过全波模拟仿真表征了所设计的波束偏折器的电磁特性。如图12所示，透射波与预期的相同的48.6°偏折角，并且绝对效率达到了90％。将效率定义为图12中箭头所指的阴影区域的积分与总入射波的能量的比值；图13展示了模拟计算得到的电磁波垂直入射波束偏折器时所产生的电场分布，可以清楚的看到透射波被高效的重定向到异常折射角。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Ku波段超周期元胞，其特征在于，包括四个第一类超表面单元（11）和一个第二类超表面单元（12）；每个所述第一类超表面单元（11）均由三个同向平行设置的第一超表面层（111）构成，每个所述第一超表面层（111）均包括亚波长金属框（1111）、第一共振体（1112）和第一介质基板（1113），所述亚波长金属框（1111）和所述第一共振体（1112）均设置在所述第一介质基板（1113）上，所述第一共振体（1112）位于所述亚波长金属框（1111）内；所述第二类超表面单元（12）包括两个同向平行设置的第二超表面层（121），每个所述第二超表面层（121）均包括第二介质基板（1211）以及设置在所述第二介质基板（1211）上的第二共振体（1212），在两个所述第二超表面层（121）之间平行设置有第三介质基板（122）；所述第一共振体（1112）和所述第二共振体（1212）均为耶路撒冷十字形金属结构，每个第一共振体（1112）的尺寸大小均不同，第二共振体（1212）与各第一共振体（1112）的尺寸大小均不同；所述第二介质基板（1211）和所述第三介质基板（122）的形状大小均相同；两个所述第二超表面层（121）与第三介质基板（122）的距离均为h，相邻两个第一超表面层（111）的距离均为h；四个第一类超表面单元（11）、一个第二类超表面单元（12）按透射相位由小到大无缝拼接成一排，所述第二类超表面单元（12）的透射相位最大，任意相邻两个所述第一类超表面单元（11）之间的相位差均为72°，所述第二类超表面单元（12）与其相邻的第一类超表面单元（11）之间的相位差为72°。

2.根据权利要求1所述的Ku波段超周期元胞，其特征在于，所述第一共振体（1112）、所述第二共振体（1212）均由两个相同的工字形结构组成，所述两个相同的工字形结构的中心互相垂直交叉，所述工字形结构为轴对称结构。

3.根据权利要求2所述的Ku波段超周期元胞，其特征在于，所述第一共振体（1112）、所述亚波长金属框（1111）和所述第一介质基板（1113）同心设置；所述第二共振体（1212）和所述第二介质基板（1211）同心设置。

4.根据权利要求1至3任一项所述的Ku波段超周期元胞，其特征在于，所述亚波长金属框（1111）的平面形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形或者菱形。

5.根据权利要求4所述的Ku波段超周期元胞，其特征在于，所述亚波长金属框（1111）与所述第一介质基板（1113）的形状大小相同。

6.根据权利要求5所述的Ku波段超周期元胞，其特征在于，所述第一介质基板（1113）、所述第二介质基板（1211）、所述第三介质基板（122）的平面形状均为正方形，所述第一介质基板（1113）与所述第二介质基板（1211）的尺寸大小相同。

7.根据权利要求1至3、5、6任一项所述的Ku波段超周期元胞，其特征在于，所述第一介质基板（1113）、所述第二介质基板（1211）和所述第三介质基板（122）均为相对介电常数为2.95+0.05i、厚度为0.25mm的F4B介质基板。

8.一种全相位覆盖波束偏折器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至7任一项所述的Ku波段超周期元胞（1），所述至少一个的Ku波段超周期元胞（1）呈周期性排列并无缝拼接形成超表面。

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