超宽带微波涡旋超表面及其宽带设计方法技术

本发明专利技术属于微波段电磁波调控技术领域，具体为一种超宽带微波涡旋超表面及其宽带设计方法。本发明专利技术通过级联矩阵的方法得到反射体系下超表面单元满足PB几何相位的条件；采用色散工程方法进一步得到满足宽带PB相位的条件；然后设计两正交极化下同时满足多模谐振的单元结构和参数；最后根据理论计算公式计算得到不同拓扑荷下涡旋超表面的涡旋相位分布，并通过寻根算法和旋转超表面单元在CST中采用VBA宏建模实现超表面拓扑结构。据此，本发明专利技术设计了由三层金属结构和2层介质板组成的超表面单元，再由一系列超表面单元按照一定的相位分布经二维有限周期延拓得到超宽带微波涡旋超表面，其在6~18GHz之间能产生高效涡旋波束，具有超宽工作带宽、效率高、设计简单、成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波段电磁波调控
，具体涉及一种能产生超宽带微波涡旋波束的超表面及其宽带设计方法。
技术介绍
所谓光学涡旋是指当光波具有螺旋型相位波前结构时，波前会绕着传播方向上的一条线以螺旋方式旋转，这一类特殊光波或光场称为光学涡旋，具有螺旋相位波前和轨道角动量，在微粒子操作、原子光学、空间光信息传输与处理等领域具有重要潜在应用价值，是现代光学中的一个新兴领域，光学涡旋的产生、调制、探测以及应用等问题成为本学科前沿和研究热点。由于涡旋光束关于光轴对称，自身的干涉相消使得光束中心强度为零，光轴上的场完全消失，因此光轴处的相位和偏振方向具有不确定性，从而显示出暗中空的特性，这些相位不确定处也称奇点。利用光学涡旋场的暗中空特性以及轨道角动量与物质的相互作用，可使光学涡旋用于光镊，实现对微观粒子的捕获、控制和旋转等微操作，避免高强光区域捕获的热效应。与普通利用高斯光束来捕获微粒子的光镊系统相比，中空的涡旋光束具有更强的轴向囚禁力、较低的光学损伤和轨道角动量以及低功率等优点，具有粒子筛选功能以及粒子旋转操作等独特优势。自由空间光通信技术是光学涡旋的另一个重要应用，其核心思想是利用特有的轨道角动量实现信息编码，成为当前新兴的研究方向。与传统的编码方式相比，利用涡旋光束作为信息载体有两大优点：一是安全性更高，利用涡旋光束的轨道角动量对信息编码可以极大的提高信息传输的安全性，除非接收器置于光传播路径中，否则很难接收到信息，而传统编码方式由于大气散射光会发生泄密，而时变涡旋散射光的相位结构带有随机变化，从大气散射光中恢复出轨道角动量信息几乎不可能，具有更好的保密性；二是信息编码容量更大，单个光子的自旋角动量可以表示成左旋和右旋偏振构成的二维基，适合二进制编码，而光学涡旋的轨道角动量理论上有无限多个本征态，可以表示成任意N进制编码，极大地提高了自由光通信的信息容量。微波涡旋是光学涡旋在低频段的一种表现形式，具有与光学涡旋相似的电特性。微波涡旋波束由于携带轨道角动量，在很长距离传输下能克服衍射效应，因此在近场扫描、高分辨率成像以及通信领域具有潜在应用。不同于产生方法较为成熟的光学涡旋波束，由于缺乏微波材料和器件，微波涡旋波束研究较少且生产方法具有一定的挑战性。已有产生微波涡旋波束的方法中要么采用非平面结构，设计、加工复杂；要么工作带宽非常窄，只有0.2GHz水平。本专利技术基于双层结构提出了一种产生超宽带涡旋波束的超表面及其设计方法，在6~18GHz之间能产生高效涡旋波束，具有超宽工作带宽、效率高、设计简单、易于制作和加工、成本低等优点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种超宽带微波涡旋超表面及其宽带设计方法，以提高反射系统的可靠性和稳定性。几何贝尔相位，也称PB（Pancharatnam–Berry)相位，是指在圆极化波激励下超表面单元结构随单元方位旋转角φ呈现的散射相位。下面给出本专利技术超宽带涡旋超表面的宽带设计方法。第一步：通过级联矩阵的方法得到反射体系下超表面单元满足PB几何相位的条件。笛卡尔坐标系下反射超表面单元旋转φ角后的反射矩阵可写成：(1)这里，上标x、y表示入射波的极化方向。根据线极化基与圆极化基之间的关系，立即可得圆极化基下的反射矩阵：(2)将式（1）代入式（2），可得圆极化波激励下的散射矩阵：(3a)(3b)(3c)(3d)式（3a）~（3b）表明，当入射波为单一圆极化波时，反射体系下旋转超表面单元的反射波为同旋向圆极化波，且只有两个同旋向圆极化波分量和携带PB相位信息，其反射相位与φ呈现-2φ或2φ的相位关系，而其余两个散射分量和并未携带PB相位信息，但贡献镜面反射模式。为简化设计，这里选择没有手性的结构体系来设计超表面单元，因此线极化波激励下没有交叉极化（即）。为消除不需要的散射模式从而提高圆极化反射幅度、效率和产生PB相位，只需=0。反射体系下，我们很容易使得两个线极化正交分量的反射幅度接近于1（即），为满足=0，只需。第二步：根据上述相位条件，通过色散工程方法进一步得到满足宽带PB相位的条件。为使超表面单元在很宽的带宽范围内满足上述恒定180o相位差，需要两个正交极化分量的反射相位在工作频率范围内具有相同的斜率，即：(4)本专利技术采用多模级联的方法，实现超表面单元的超宽带工作，每个正交线极化分量均具有3个谐振模式且两极化下的模式在频谱上交替排列，接力形成宽带。假设x、y两极化下各个模式的谐振频率分别为、和以及、和，为保证上述斜率相同且不失一般性，选取7个典型频率满足式（4），即：，，，，，，。第三步：根据上述宽带PB相位条件设计两正交极化下同时满足多模谐振的单元结构和参数。其中结构参数通过在商业仿真软件CST中建模优化得到，使得其反射相位满足式（4）。第四步：根据理论计算公式计算得到不同拓扑荷下涡旋超表面的涡旋相位分布，并通过寻根算法和旋转超表面单元在CST中采用VBA宏建模实现超表面拓扑结构，这里φ为方位角（0<φ<360o），l为拓扑荷，对应一个波长内相位旋转的圈数。基于上述超表面宽带设计方法，本专利技术提出的超表面单元结构，参图1所示。超表面单元由三层金属结构和2层介质板组成。其中，上层金属结构由5个关于y轴镜像对称的垂直金属细贴片组成，中层金属结构由5个关于x轴镜像对称的水平金属细贴片组成，底层金属结构为金属背板，该拓扑结构保证了该体系是一个纯反射特系，没有任何传输。上层金属结构在上层介质板上面，中层金属结构在上层介质板与下层介质板之间，底层金属结构在下层介质板背面。设l1、w1分别为5个细贴片中中间贴片的长度和宽度（也记该中间贴片为l1），l2、w2分别为5个细贴片中位于中间贴片l1两侧的贴片的长度和宽度（也记该两贴片为l2），l3、w3分别5个细贴片中位于最外侧两个贴片的长度和宽度（也记该两贴片为l3），相邻两贴片之间的距离相等，记为g；记px、py分别为超表面单元在x、y方向的长度（也称周期）；上、下层介质板的厚度分别记为h1和h2。其中部分结构参数满足条件：px=py>l1>l2>l3，h1<h2，而l1,w1,l2,w2,l3,w3,g,h1以及h2的尺寸通过优化组合使得x、y极化下单元各模式的谐振频率、和以及、和交替级联且满足，这里，，，，，，。实施例中，介质板可以采用聚四氟乙烯玻璃布板（F4B-2），其介电常数εr=2.65，电正切损耗tanσ=0.001，金属细贴片厚度0.036mm，介质板厚度分别为h1=0.3和h2=3mm。当电磁波垂直入射时，y、x极化电场作用会在平行于极化方向的金属细贴片上产生感应电流，而金属背板作用使得金属结构和背板在侧面还会产生位移电流，y、x极化两种情形下感应电流和位移电流均有效形成闭合回路并产生磁谐振。这里上、中层金属结构的金属细贴片均由3组不同结构参数的贴片组成，用于产生工作于不同频率的3个磁谐振模式。通过调整上、中层金属结构参数可以控制y、x极化下谐振模式的频谱位置从而调谐整个单元的反射相位，使得上、中层细金属贴片产生的模式依次交替级联，获得优化180o相位差带宽。本专利技术的实施例中，优化得到上层5个细贴片的几何结构参数为：l1=7.11mm，l2=4.59mm，l3=1.98mm，w1=w2=本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽带涡旋超表面的宽带设计方法，其特征在于，具体步骤为：第一步：通过级联矩阵的方法得到反射体系下超表面单元满足PB几何相位的条件；笛卡尔坐标系下反射超表面单元旋转φ角后的反射矩阵写成：(1)这里，上标x、y表示入射波的极化方向，根据线极化基与圆极化基之间的关系，得圆极化基下的反射矩阵：(2)将式（1）代入式（2），得圆极化波激励下的散射矩阵：(3a)(3b)(3c)(3d)式（3a）~（3b）表明，当入射波为单一圆极化波时，反射体系下旋转超表面单元的反射波为同旋向圆极化波，且只有两个同旋向圆极化波分量和携带PB相位信息，其反射相位与φ呈现‑2φ或2φ的相位关系，而其余两个散射分量和并未携带PB相位信息，但贡献镜面反射模式；为简化设计，这里选择没有手性的结构体系来设计超表面单元，因此线极化波激励下没有交叉极化，即；为消除不需要的散射模式从而提高圆极化反射幅度、效率和产生PB相位，只需=0；反射体系下，容易使得两个线极化正交分量的反射幅度接近于1即，为满足=0，只需；第二步：根据上述相位条件，通过色散工程方法进一步得到满足宽带PB相位的条件；为使超表面单元在很宽的带宽范围内满足上述恒定180o相位差，需要两个正交极化分量的反射相位在工作频率范围内具有相同的斜率，即：(4)采用多模级联的方法，实现超表面单元的超宽带工作，每个正交线极化分量均具有3个谐振模式且两极化下的模式在频谱上交替排列，接力形成宽带；假设x、y两极化下各个模式的谐振频率分别为、和以及、和，为保证上述斜率相同且不失一般性，选取7个典型频率满足式（4），即：，，，，，，；第三步：根据上述宽带PB相位条件，设计两正交极化下同时满足多模谐振的单元结构和参数；第四步：根据理论计算公式计算得到不同拓扑荷下涡旋超表面的涡旋相位分布，并通过寻根算法和旋转超表面单元在CST中采用VBA宏建模实现超表面拓扑结构，这里φ为方位角，0<φ<360o，l为拓扑荷，对应一个波长内相位旋转的圈数。...

【技术特征摘要】
1.一种超宽带涡旋超表面的宽带设计方法，其特征在于，具体步骤为：第一步：通过级联矩阵的方法得到反射体系下超表面单元满足PB几何相位的条件；笛卡尔坐标系下反射超表面单元旋转φ角后的反射矩阵写成：(1)这里，上标x、y表示入射波的极化方向，根据线极化基与圆极化基之间的关系，得圆极化基下的反射矩阵：(2)将式（1）代入式（2），得圆极化波激励下的散射矩阵：(3a)(3b)(3c)(3d)式（3a）~（3b）表明，当入射波为单一圆极化波时，反射体系下旋转超表面单元的反射波为同旋向圆极化波，且只有两个同旋向圆极化波分量和携带PB相位信息，其反射相位与φ呈现-2φ或2φ的相位关系，而其余两个散射分量和并未携带PB相位信息，但贡献镜面反射模式；为简化设计，这里选择没有手性的结构体系来设计超表面单元，因此线极化波激励下没有交叉极化，即；为消除不需要的散射模式从而提高圆极化反射幅度、效率和产生PB相位，只需=0；反射体系下，容易使得两个线极化正交分量的反射幅度接近于1即，为满足=0，只需；第二步：根据上述相位条件，通过色散工程方法进一步得到满足宽带PB相位的条件；为使超表面单元在很宽的带宽范围内满足上述恒定180o相位差，需要两个正交极化分量的反射相位在工作频率范围内具有相同的斜率，即：(4)采用多模级联的方法，实现超表面单元的超宽带工作，每个正交线极化分量均具有3个谐振模式且两极化下的模式在频谱上交替排列，接力形成宽带；假设x、y两极化下各个模式的谐振频率分别为、和以及、和，为保证上述斜率相同且不失一般性，选取7个典型频率满足式（4），即：，，，，，，；第三步：根据上述宽带PB相位条件，设计两正交极化下同时满足多模谐振的单元结构和参数；第四步：根据理论计算公式计算得到不同拓扑荷下涡旋超表面的涡旋相位分布，并通过寻根算法和旋转超表面单元在CST中采用VBA宏建模实现超表面拓扑结构，这里φ为方位角，0<φ<360o，l为拓扑荷，对应一个波长内相位旋转的圈数。2.一种基于权利要求1所述设计方法设计的超宽带微波涡旋超表面，其特征在于，由一系列超表面单元按照一定的相位分布经二维有限周期延拓而成，所述的相位分布，是指其表面相位满足螺旋相位分布：，其中φ是方位角，0<φ<360o，即表面相位随方位角逐步变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：许河秀，王光明，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61