CN213151027U

CN213151027U - 一种四频段相位独立调控透射型超表面单元

Info

Publication number: CN213151027U
Application number: CN202022106057.3U
Authority: CN
Inventors: 方欣; 谢仁盛; 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四频段相位独立调控透射型超表面单元，所述超表面单元由两个双C型槽谐振器，两个双C型开口环谐振器和介质板组成，双C型槽谐振器和双C型开口环谐振器交错分布，以避免谐振器之间的耦合和串扰。每个谐振器都有对应的频率，分别是8GHz，9.5GHz，11GHz和13.5GHz，通过适当的调整谐振器的旋转角度，在每一个频点处都可实现2π相位覆盖，并且将圆偏振入射波在四个预先设计的波长处折射为其交叉偏振分量。本实用新型提出的四频段相位独立调控超表面在每个频点处的透射幅度基本相同，具有良好的工作性能，该结构紧凑，便于集成，在无线通信领域有广阔的前景。

Description

一种四频段相位独立调控透射型超表面单元

技术领域

本实用新型属于具有特殊性质的人工超材料领域，具体涉及一种四频段相位独立调控透射型超表面单元及其设计方法。

背景技术

超材料是典型的基于亚波长结构（也称人工原子或超原子，meta-atom）构建的人工材料。其利用所设计亚波长结构的奇异电磁响应可实现自然界不存在的电磁参数或电磁性能。为了解决块状超材料的的三维加工和金属损耗问题，研究人员提出了电磁超表面，即三维超材料的二维形式。超表面在保留了传统超材料独特电磁特性的基础上，兼具了厚度薄、易加工等优势，在轻量化平面成像、电磁吸收和虚拟赋形、大视场全息等诸多领域具有广泛应用。

与传播相位调制（通常用于线极化）相比，基于几何相位调制（通常用于圆极化）的超表面备受青睐，其最大优势在于相位调控是宽带消色差的，在不同波长下产生的突变相位是恒定的，因此器件可宽带工作。当圆偏振电磁波入射到超表面，与结构相互作用后透过的电磁波除了含有主偏振电磁波外，还会激发具有正交偏振态的电磁波，且正交偏振态电磁波携带了2σθ的附加几何相位。

随着现代集成系统的迅速发展，为了满足光学集成、多功能探测和多光谱分析的发展，在许多应用中都需要多功能设备，即在不同的操作频带实现不同功能。目前公开文献报道的多频段的单元，主要依靠在正交方向上调节亚波长结构的线极化，且大多数单元工作在双频。到目前为止没有在透射模式下的四频段圆极化独立调控单元被证明。本发明公开的四频段独立调控透射型超表面单元引入几何相位，可以产生四个圆极化工作频点，它们之间互不干扰，可以独立调控每一个频点的相位，具有集成度高、体积小、效率高、信息容量高等特点，在现在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四频段相位独立调控透射型超表面单元，本实用新型由表层金属结构层和底层介质板层构成，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、第三谐振器及第四谐振器；本实用新型在圆极化波入射下能够产生四个不同的工作频点，每个频点的单元相位可以独立调整，通过旋转四个谐振器的方位角，在对应的频点处实现0-360°相位调控范围且透射效率基本相同，工作性能良好。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：

一种四频段相位独立调控透射型超表面单元，其特点包括表层金属结构层和底层介质板层；

所述底层介质板层为正方形的板状件，表层金属结构层镀涂在底层介质板层的正面；

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、第二环线、第三环线和第四环线，其中，第一环线的外侧构成第一谐振器，第一环线及第二环线之间构成第二谐振器，第二环线及第三环线之间构成第三谐振器，第三环线及第四环线之间构成第四谐振器；

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点的第二连线；

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点的第三连线；

第四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点的第四连线；

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。

所述第四谐振器的第四连线与表层金属结构层上X轴的旋转角为θ4。

所述表层金属结构层的材质为铜材，所述底层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、底层介质板层，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、第三谐振器和第四谐振器；并在第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器及第四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、θ3和θ4。本实用新型在圆极化入射波下，可以产生四个不同的工作频率点，这四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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本实用新型是基于圆极化的四频段透射型超表面单元，第二谐振器和第四谐振器上刻蚀的镂空圆环将四个谐振器分隔，谐振器之间的串扰和耦合可忽略。四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，超表面单元只需简单改旋转谐振器，就可以实现2π相位覆盖，在四个预先指定的频率处将圆偏振入射波透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为本实用新型的表层金属层结构示意图；

图3为本实用新型在8GHz下的电场分布示意图；

图4为本实用新型在9.5GHz下的电场分布示意图；

图5为本实用新型在11GHz下的电场分布示意图；

图6为本实用新型在13.5GHz下的电场分布示意图；

图7为本实用新型在8GHz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和底层介质板层2；

所述底层介质板层2为正方形的板状件，表层金属结构层1镀涂在底层介质板层2的正面。

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、第二环线20、第三环线30和第四环线40，其中，第一环线10的外侧构成第一谐振器11，第一环线10及第二环线20之间构成第二谐振器12，第二环线20及第三环线30之间构成第三谐振器13，第三环线30及第四环线40之间构成第四谐振器14；

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。

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；

第四谐振器14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141，两个贯通槽上设有过O点的第四连线142；

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、图2，所述第四谐振器14的第四连线142与表层金属结构层1上X轴的旋转角为θ4。

参阅图1，所述表层金属结构层1的材质为铜材，所述底层介质板层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。

参阅图1、图2，第二谐振器12上刻蚀有镂空的两个直径不等的圆环和第四谐振器14上刻蚀有镂空的两个直径不等的圆环在径向上的宽度相同。

本实用新型是这样工作的：

本实用新型底层介质板层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，底层介质板层2。

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8GHz、9.5GHz、11GH及13.5GHz四个频点通过共享口径设置在第一谐振器11、第二谐振器12、第三谐振器13及第四谐振器14上。

参阅图1、图2，为提高本实用新型在8GHz、9.5GHz、11GH及13.5GHz四个频点的透射效率，调整表层金属结构层1的第一谐振器11、第二谐振器12、第三谐振器13和第四谐振器14分别绕圆心转动θ1、θ2、θ3和θ4（θ1、θ2、θ3和θ4的变化范围0°-180°）即可保证反射电磁波8GHz、9.5GHz、11GH及13.5GHz四个频点透射率分别超过0.45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和图6，第二谐振器12和第四谐振器14上刻蚀的镂空圆环将四个谐振器分隔，即可保证在8GHz、9.5GHz、11GH及13.5GHz四个频点处的工作模式是独立、互不干扰的。即工作在8GHz时，仅第一谐振器11发生谐振；工作在9.5GHz时，仅第二谐振器12发生谐振；工作在11GHz时，仅第三谐振器13发生谐振，工作在13.5GHz时，仅第四谐振器14发生谐振。

参阅图1、图2、图7，给出了本实用新型的相位分布图。以8GHz为例，在8GHz入射波下，所述单元中的四个谐振器的角度θ1、θ2、θ3和θ4同时变化0-180°，从图7(a)(b)(c)可以看出单元相位值发生变化仅与θ1有关，与θ2、θ3和θ4无关。因此在实际应用中，本实用新型工作在8GHz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。

参阅图1、图2、图7，以9.5GHz为例，在9.5GHz入射波下，所述单元中的四个谐振器的角度θ1、θ2、θ3和θ4同时变化0-180°，从图7(d)(e)(f)可以看出单元相位值发生变化仅与θ2有关，与θ1、θ3和θ4无关。因此在实际应用中，本实用新型工作在9.5GHz时，若需调整单元相位，只需简单调整θ2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。

在11GH及13.5GHz入射波下，工作原理与此类似，这里不再做过多赘述。

Claims

1.一种四频段相位独立调控透射型超表面单元，其特征在于，它包括表层金属结构层（1）和底层介质板层（2）；

所述底层介质板层（2）为正方形的板状件，表层金属结构层（1）镀涂在底层介质板层（2）的正面；

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）、第二环线（20）、第三环线（30）和第四环线（40），其中，第一环线（10）的外侧构成第一谐振器（11），第一环线（10）及第二环线（20）之间构成第二谐振器（12），第二环线（20）及第三环线（30）之间构成第三谐振器（13），第三环线（30）及第四环线（40）之间构成第四谐振器（14）；

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)；

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）；

第四谐振器（14）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(141)，两个贯通槽(141)上设有过O点的第四连线(142)。

2.根据权利要求1所述的一种四频段相位独立调控透射型超表面单元，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所述的一种四频段相位独立调控透射型超表面单元，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所述的一种四频段相位独立调控透射型超表面单元，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所述的一种四频段相位独立调控透射型超表面单元，其特征在于，所述第四谐振器（14）的第四连线（142）与表层金属结构层（1）上X轴的旋转角为θ4。

6.根据权利要求1所述的一种四频段相位独立调控透射型超表面单元，其特征在于，所述表层金属结构层（1）的材质为铜材，所述底层介质板层（2）的材质为聚四氟乙烯玻璃纤维材料。