CN213151026U

CN213151026U - 一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元

Info

Publication number: CN213151026U
Application number: CN202022102817.3U
Authority: CN
Inventors: 谢仁盛; 方欣; 丁军; 翟国华
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2030-09-23

Abstract

本实用新型公开了一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元，包括表层金属结构层、中间介质板层及底层金属层；本实用新型是基于圆极化的三频段反射型超表面单元，第二谐振器上刻蚀的镂空圆环将第二谐振器与第一谐振器和第三谐振器分隔，谐振器之间的串扰和耦合可忽略。三个谐振器中的每一个都可以独立控制一个相应波长的相位响应，通过适当地旋转谐振器，就可以实现2π相位覆盖，在三个预先指定的频率处将圆偏振入射波反射为其交叉偏振分量。该结构体积小，调控方式简单，便于加工和集成。

Description

一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元

技术领域

本实用新型涉及二维电磁材料技术领域，尤其是一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元。

背景技术

超材料（MMs）是三维（3D）人造复合纳米结构，具有用于引导和控制电磁波流动的特性，能够产生各种有趣的光学效果和使用天然材料无法实现的应用，如负介电常数、负磁导率和负折射率等。超表面是超材料的二维（2D）形式，由一系列亚波长单元在二维平面上周期或非周期性排列而成，其厚度小于工作波长，通过对基本单元结构的大小、形状及排列方式进行调整，超表面能够在亚波长尺度下对电磁波振幅、相位、传播模式、极化方式等进行自由地调制。超表面不仅保留了超材料的独特物理特性，还具有体积小，厚度薄，易加工等优势，为电磁波操控开辟了一条全新的途径。随着现代集成技术的飞速发展，为了适应光学集成，多功能检测和多光谱分析的发展，在许多应用中都需要多功能设备，即在不同的工作频率下实现不同的功能。当前，公开文献中报道的多频带单元大多基于线极化且只有两个工作频点。到目前为止，还没有基于圆极化的反射型三频段相位独立调控的单元被证明，为此，设计一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元在当前的通信技术中具有很大的优势。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供的一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元，本实用新型由表层金属结构层、中间介质板层及底层金属层构成，采用在表层金属结构层上刻蚀镂空的图案分别构成第一谐振器、第二谐振器及第三谐振器；使本实用新型在圆极化入射波下，可以产生三个不同的工作频率点，这三个频率之间互不干扰，每个频率点的相位可以独立调整，本实用新型具有集成度高、体积小、效率高及信息容量大的优点。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：

一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元，其特点包括表层金属结构层、中间介质板层及底层金属层；

所述中间介质板层为正方形的板状件，表层金属结构层镀涂在中间介质板层的正面，底层金属层镀涂在中间介质板层的背面；

设表层金属结构层的形心为O点，在O点上设有直角坐标X轴及Y轴，并以O点为圆心由大到小依次设有第一环线及第二环线，其中，第一环线的外侧构成第一谐振器，第二环线的内侧构成第三谐振器，第一环线及第二环线之间构成第二谐振器；

且第一谐振器上刻蚀有镂空的两个C型的半圆环，两个C型的半圆环的切向之间保留有一对不被刻蚀的第一外接杆，一对第一外接杆上设有过O点的第一连线；

第三谐振器上刻蚀有镂空的两个C型的半圆环，两个C型的半圆环的切向之间保留有一对不被刻蚀的第二外接杆，一对第二外接杆上设有过O点的第二连线；

第二谐振器上刻蚀有镂空的两个直径不等的圆环，两个圆环的径向之间刻蚀有一对镂空的贯通槽，两个贯通槽上设有过O点的第三连线。

所述第一谐振器的第一连线与表层金属结构层上X轴的旋转角为θ1。

所述第二谐振器的第二连线与表层金属结构层上X轴的旋转角为θ2。

所述第三谐振器的第三连线与表层金属结构层上X轴的旋转角为θ3。

所述表层金属结构层及底层金属层的材质均为铜材，所述中间介质板层的材质为聚四氟乙烯玻璃纤维材料。

本实用新型由表层金属结构层、中间介质板层及底层金属层构成，采用在表层金属结构层上刻蚀镂空的图案分别构成第一谐振器、第二谐振器及第三谐振器；并在第一谐振器、第二谐振器及第三谐振器上分别设置了相对于表层金属结构层上X轴的旋转角为θ1、θ2及θ3。本实用新型在圆极化入射波下，可以产生三个不同的工作频率点，这三个频率之间互不干扰，每个频率点的相位可以独立调整，本实用新型具有集成度高、体积小、效率高及信息容量大的优点。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型是基于圆极化的三频段反射型超表面单元，第二谐振器上刻蚀的镂空圆环将第二谐振器与第一谐振器和第三谐振器分隔，谐振器之间的串扰和耦合可忽略。三个谐振器中的每一个都可以独立控制一个相应波长下的相位响应，超表面单元只需简单旋转谐振器，就可以实现2π相位覆盖，在三个预先指定的频率处将圆偏振入射波反射为其交叉偏振分量。该结构体积小，调控方式简单，便于加工和集成。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型表层金属结构层的结构示意图；

图3为本实用新型在10GHz下的电场分布示意图；

图4为本实用新型在12GHz下的电场分布示意图；

图5为本实用新型在15GHz下的电场分布示意图；

图6为本实用新型在10GHz下的相位分布示意图。

具体实施方式

参阅图1，本实用新型包括表层金属结构层1、中间介质板层2及底层金属层3；

所述中间介质板层2为正方形的板状件，表层金属结构层1镀涂在中间介质板层2的正面，底层金属层3镀涂在中间介质板层2的背面。

参阅图1、图2，设表层金属结构层1的形心为O点，在O点上设有直角坐标X轴及Y轴，并以O点为圆心由大到小依次设有第一环线10及第二环线20，其中，第一环线10的外侧构成第一谐振器11，第二环线20的内侧构成第三谐振器13，第一环线10及第二环线20之间构成第二谐振器12；

且第一谐振器11上刻蚀有镂空的两个C型的半圆环，两个C型的半圆环的切向之间保留有一对不被刻蚀的第一外接杆111，一对第一外接杆111上设有过O点的第一连线112；

第三谐振器13上刻蚀有镂空的两个C型的半圆环，两个C型的半圆环的切向之间保留有一对不被刻蚀的第二外接杆131，一对第二外接杆131上设有过O点的第三连线132；

第二谐振器12上刻蚀有镂空的两个直径不等的圆环，两个圆环的径向之间刻蚀有一对镂空的贯通槽121，两个贯通槽121上设有过O点的第二连线122。

参阅图1、图2，所述第一谐振器11的第一连线112与表层金属结构层1上X轴的旋转角为θ1。

参阅图1、图2，所述第二谐振器12的第二连线122与表层金属结构层1上X轴的旋转角为θ2。

参阅图1、图2，所述第三谐振器13的第三连线132与表层金属结构层1上X轴的旋转角为θ3。

参阅图1，所述表层金属结构层1及底层金属层3的材质均为铜材，所述中间介质板层2的材质为聚四氟乙烯玻璃纤维材料。

参阅图1、图2，所述第一谐振器11上刻蚀镂空的两个C型的半圆环和第三谐振器13上刻蚀镂空的两个C型的半圆环在径向上的宽度相同。

参阅图1、图2，所述第一谐振器11上的第一外接杆111和第三谐振器13上的第二外接杆131在切向上的长度不等。

本实用新型是这样工作的：

本实用新型中间介质板层2为正方形的单元结构，包括自上而下的表层金属结构层1，中间介质板层2和底层金属层3。

参阅图1、图2，本实用新型在圆极化入射波垂直入射到表层金属结构层1时，将10GHz、12GH及15GHz三个频点通过共享口径设置在第一谐振器11、第二谐振器12及第三谐振器13上。

底层金属层3用于反射电磁波，底层金属层3的几何中心与中间介质板层2的几何中心重合。

参阅图1、图2，为提高本实用新型在10GHz、12GH及15GHz三个频点的反射效率，调整表层金属结构层1的第一谐振器11、第二谐振器12和第三谐振器13分别绕圆心转动θ₁、θ₂和θ₃（θ₁、θ₂和θ₃的变化范围0°-180°）即可保证反射电磁波10GHz、12GH及15GHz三个频点反射率分别超过0.9的情况下，分别获得两倍于旋转角度的相位值。

参阅图3、图4、图5，第二谐振器12上刻蚀有镂空的两个直径不等的圆环将第二谐振器12与第一谐振器11和第三谐振器13分隔，即可保证在10GHz、12GH及15GHz三个频点处的工作模式是独立、互不干扰的。即工作在10GHz时，仅第一谐振器11发生谐振；工作在12GHz时，仅第二谐振器12发生谐振；工作在15GHz时，仅第三谐振器13发生谐振。

参阅图1、图2、图6，给出了本实用新型的相位分布图。以10GHz为例，在10GHz入射波下，所述单元中的三个谐振器的角度θ1、θ2和θ3同时变化0-180°，从图6(a)(b)可以看出单元相位值发生变化仅与θ1有关，与θ2和θ3无关。因此在实际应用中工作在10GHz时，若需调整单元相位，只需简单调整θ1的值，符合在每个频点处工作模式互不干扰，相位独立调控的标准。

Claims

1.一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元，其特征在于，它包括表层金属结构层（1）、中间介质板层（2）及底层金属层（3）；

所述中间介质板层（2）为正方形的板状件，表层金属结构层（1）镀涂在中间介质板层（2）的正面，底层金属层（3）镀涂在中间介质板层（2）的背面；

设表层金属结构层（1）的形心为O点，在O点上设有直角坐标X轴及Y轴，并以O点为圆心由大到小依次设有第一环线（10）及第二环线（20），其中，第一环线（10）的外侧构成第一谐振器（11），第二环线（20）的内侧构成第三谐振器（13），第一环线（10）及第二环线（20）之间构成第二谐振器（12）；

且第一谐振器（11）上刻蚀有镂空的两个C型的半圆环，两个C型的半圆环的切向之间保留有一对不被刻蚀的第一外接杆（111），一对第一外接杆（111）上设有过O点的第一连线（112）；

第三谐振器（13）上刻蚀有镂空的两个C型的半圆环，两个C型的半圆环的切向之间保留有一对不被刻蚀的第二外接杆(131)，一对第二外接杆(131)上设有过O点的第三连线（132）；

第二谐振器（12）上刻蚀有镂空的两个直径不等的圆环，两个圆环的径向之间刻蚀有一对镂空的贯通槽(121)，两个贯通槽(121)上设有过O点的第二连线(122)。

2.根据权利要求1所述的一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元，其特征在于，所述第一谐振器（11）的第一连线（112）与表层金属结构层（1）上X轴的旋转角为θ1。

3.根据权利要求1所述的一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元，其特征在于，所述第二谐振器（12）的第二连线122与表层金属结构层（1）上X轴的旋转角为θ2。

4.根据权利要求1所述的一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元，其特征在于，所述第三谐振器（13）的第三连线（132）与表层金属结构层（1）上X轴的旋转角为θ3。

5.根据权利要求1所述的一种反射型三频段相位独立调控的超表面单元，其特征在于，所述表层金属结构层（1）及底层金属层（3）的材质均为铜材，所述中间介质板层（2）的材质为聚四氟乙烯玻璃纤维材料。