基于频率和旋向多元混合通道的多功能超表面及设计方法技术

本发明专利技术属于多功能超表面技术领域，具体为基于频率和旋向多元混合通道的多功能超表面及其设计方法。本发明专利技术多功能超表面由M*M个复合超表面单元在平面内等间距周期地排列组成；每个复合超表面单元由2个对角排列的子结构1和子结构2组成；其中子结构1为单层双开口环谐振器，子结构2为双层十字贴片；子结构1和子结构2成对角棋盘排列；其中，双开口环谐振器和十字贴片提供超表面的双频通道特性，十字贴片提供圆极化波的双旋向通道特性；2个频率通道（f1，f2）相互隔离，各提供2个独立调控的旋向通道；本发明专利技术频率和旋向多元通道多功能超表面可以提供4个独立的圆极化功能，具有集成度高、可复用性强、体积超薄、效率高等优势。

Multifunctional Supersurface and Design Method Based on Frequency and Rotary Mixed Channels

【技术实现步骤摘要】
基于频率和旋向多元混合通道的多功能超表面及设计方法
本专利技术属于多功能超表面
，具体涉及基于频率和旋向多元混合通道的多功能超表面及其设计方法。
技术介绍
超表面，作为超材料的一种平面二维形式，由系列亚波长人工电磁结构按照一定排列方式构成。由于厚度薄、加工制作简单、电磁波调控能力强，引起了科学技术人员的研究兴趣。在单个板子上展现出独立多波前调控在现代科学技术和集成光学领域任务非常迫切，应用前景光明。目前公开文献报道主要有以下几种代表性方法。一是基于任意正交线极化波和任意正交旋向圆极化波下各向异性超表面的极化多元调控，主要依靠正交方向上亚波长结构的各项异性和非对称结构参数分布；二是通过引入多模谐振结构，每种结构独立工作于分离的某个特定模式，称之为频率/波长多元；三是空间多元，其基本思想是在空间不同区域(扇区)，紧密排列或相间插入多种实现不同功能的人工电磁结构。四是角度多元，基本原理是将不同功能相位编码在不同入射角度上。当然该领域的快速发展，加速了一些基于极化、频率、空间和角度等多元混合多功能的出现，如多元全息。尽管如此，现有报道都只能在任意线极化波下提供有效解决方案，它们并不能在任意圆极化波下实现多任务波前调控，极度阻碍了实际应用。任意圆极化波下的多任务波前调控在实际实现时非常具有挑战性，这是因为同一结构在圆极化波不同旋向下的相位特性只是发生符号翻转，两种旋向下的相位和功能都是锁定的，如位置相互倒立的全息图像、发射与收敛聚焦、相互对称偏折波束等。更严重的是，信息容量和功能仅限于2种，难于拓展。本专利技术公开了通过同时引入反射相位、几何相位的旋向解耦方法，打破了旋向相位和功能锁定的限制，进一步，基于双开口环谐振器和十字贴片结构的复合超表面单元公开了一种实现频率和旋向多元混合通道的多功能电磁调控新思想，在此基础上公开了相关设计方法及实施例。本专利技术频率和旋向多元通道多功能超表面可以提供4个独立的圆极化功能，具有集成度高、可复用性强、体积超薄、效率高等优势，是对现有线极化波多元调控的颠覆性互补。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种在圆极化波下能够实现多任务波前调控的多功能超表面及其设计方法。本专利技术提供的多功能超表面，为二维超表面，其频率和旋向是多元混合的，其结构如图1所示，所述多功能超表面由M*M个复合超表面单元在平面内等间距周期地排列组成，所述复合超表面单元的结构如图2所示，其由上、中、下三层金属和两层介质板交替层叠组成(即上、中层金属之间，中、下层金属之间分别有一层介质板)；每个复合超表面单元由2个对角排列的子结构1和子结构2组成；其中子结构1为单层双开口环谐振器，子结构2为双层十字贴片，两种子结构共用底层金属地板；子结构1和子结构2成对角棋盘排列(即2个子结构1在45度对角线上，2个子结构2在135度对角线上)；因此，复合超表面上层仅有对角分布的十字贴片，中层包含对角棋盘排列的十字贴片和双开口环谐振器；设复合超表面单元的周期为px＝py，开口环谐振器的工作频段为f1，十字贴片的工作频段为f2，记复合超表面单元的结构参数如下：子结构1中开口环谐振器的外半径为R、宽度为w1、开口宽度为g，R和g由工作频段f1确定，且满足R<px＝py，0.2mm<w1<1.2mm，g<2R；子结构2中十字贴片的两条贴片宽度均为w2，根据加工精度和相位覆盖范围综合权衡，满足0.2mm<w2<1.2mm；x方向贴片长度为lx，y方向贴片长度为ly，lx和ly由x极化和y极化下的功能相位分布决定，且满足4.8<lx<6.8，4.8<ly<6.8(单位：mm)；设Ψ和Φ分别为复合超表面单元中开口环谐振器和十字贴片围绕各自晶轴的旋转方位角，其满足0°<Ψ<180°和0°<Φ<180°。在多功能超表面中，各复合超表面单元具有不同的结构参数、不同旋转角度Ψ以及不同旋转角度Φ。本专利技术中，两层介质板均采用聚四氟乙烯F4B板，介电常数为εr＝2.65，电正切损耗为tanσ＝0.001，厚度分别为h2＝2和h1＝1mm，复合超表面单元周期为px＝py＝20mm。为揭示复合超表面单元的极化不相关和频率不相关等特性并对
技术实现思路
进行说明，在下述超表面设计方法的基础上，设计出一组结构参数的超表面单元进行仿真，具体结构参数包括双开口环谐振器的外半径为R＝4.4mm，环宽w1＝0.8mm，环开口宽度g＝2mm；十字贴片宽度根据完整360°相位覆盖选择为w2＝0.8mm。在商业仿真软件CST中对单元进行建模计算，采用y极化的平面电磁波垂直照射单元，其中沿x和y方向采用周期边界条件，沿z方向采用开放边界并设置平面波激励，得到单元的电磁S参数，包括反射幅度和相位。如图3所示，双开口环谐振器工作在f1≈8.1GHz处，而双层十字贴片工作在f2≈13GHz处，上述两个频率处两种单元均发生谐振，在幅度频谱上体现为反射谷，而在相位频谱上表现为急剧相位变化。尽管如此，整个频谱上单元的反射幅度均高于0.96，且x和y极化下的相位和相位差满足幅度|ryy|≈|rxx|，几乎一致。最重要的是，双开口环谐振器在频率高端f2处的相位趋于一致，双层十字贴片在频率低端f1处的相位趋于一致，模式串扰引起的相位误差可忽略。因此开口环谐振器和十字贴片在频率f1和f2处的工作模式完全独立，模式串扰被抑制，即改变子结构1的结构参数不会影响f2处的反射特性，改变子结构2的结构参数不会影响f1处的反射特性。上述特性使得两种结构在两种极化下的相位可以单独设计，是实现频率多元的关键。由于正交线极化下双开口环谐振器和十字贴片在f1和f2处的上述幅度和相位关系，使得圆极化波激励下，复合超表面单元在f1和f2处具有近1的同圆极化反射转化效率，如图4(a)和图5(a)所示，这是高效的根本保证。围绕双开口环谐振器和十字贴片各自的晶轴分别旋转方位角Ψ和Φ，均能得到2Ψ和2Φ的线性几何相位，如图4(b)和图5(b)中所示，且对于所有方位角圆极化反射幅度均高于0.93，进一步验证了双开口环谐振器和十字贴片的独立工作模式，即2个频率通道(f1，f2)相互隔离。本专利技术提供了特殊多元混合通道多功能超表面，除了双开口环谐振器和十字贴片提供超表面的双频通道特性外，设计双开口环谐振器的方位角Ψ，以实现频率通道f1处的两个相似功能(记为F1)，提供准双旋向通道或2个未解锁旋向通道；设计十字贴片正交方向上两个贴片的长度(lx和ly)和方位角Φ，以实现频率通道f2处两个相互独立、完全不同的功能(分别记为F2和F3)，提供圆极化波的独立双旋向通道或2个解锁旋向通道(即左旋LCP，右旋RCP)，该频率的旋向相位和功能相互独立，其结构和方位角参数由下面旋向解耦方法确定。如图6所示，改变ly，使其在4.8～6.8mm范围内变化，单元的反射幅度在整个观测频段11～14GHz发生微小变化且接近于100％的效率，而f2处附近12.5～13.5GHz范围内的反射相位积累达366°，达到完整2π覆盖，该带宽对于旋向解锁的多功能波前调控相当可观。由于十字贴片的四重旋转对称性，具有与完全相同的反射响应。同时我们还得到改变lx引起的相位差最大值只有40°，f2附近绝大部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频率和旋向多元混合通道的多功能超表面，其特征在于，由

【技术特征摘要】
1.一种基于频率和旋向多元混合通道的多功能超表面，其特征在于，由M*M个复合超表面单元在平面内等间距周期地排列组成；所述复合超表面单元由上、中、下三层金属和两层介质板交替层叠组成；每个复合超表面单元由2个对角排列的子结构1和子结构2组成；其中子结构1为单层双开口环谐振器，子结构2为双层十字贴片，两种子结构共用底层金属地板；子结构1和子结构2成对角棋盘排列；因此，复合超表面上层仅有对角分布的十字贴片，中层包含对角棋盘排列的十字贴片和双开口环谐振器；设复合超表面单元的周期为px=py，开口环谐振器的工作频段为f1，十字贴片的工作频段为f2，记复合超表面单元的结构参数如下：子结构1中开口环谐振器的外半径为R、宽度为w1、开口宽度为g，R和g由工作频段f1确定，且满足R<px=py，0.2mm<w1<1.2mm，g<2R；子结构2中十字贴片的两条贴片宽度均为w2，根据加工精度和相位覆盖范围综合权衡，满足0.2mm<w2<1.2mm；x方向贴片长度为lx，y方向贴片长度为ly，lx和ly由x极化和y极化下的功能相位分布决定，且满足4.8<lx<6.8，4.8<ly<6.8，单位：mm；设Ψ和Φ分别为复合超表面单元中开口环谐振器和十字贴片围绕各自晶轴的旋转方位角，其满足0°<Ψ<180°，0°<Φ<180°；在多功能超表面中，各复合超表面单元具有不同的结构参数、不同旋转角度Ψ以及不同旋转角度Φ。2.根据权利要求1所述的多功能超表面，其特征在于，所述开口环谐振器和十字贴片在频率f1和f2处的工作模式完全独立，从而形成双频通道。3.根据权利要求2所述的多功能超表面，其特征在于，设计双开口环谐振器的方位角Ψ，以实现频率通道f1处的两个相似功能，记为F1，提供准双旋向通道或2个未解锁旋向通道；设计十字贴片正交方向上两个贴片的长度lx和ly和方位角Φ，以实现频率通道f2处两个相互独立、完全不同的功能，分别记为F2和F3，提供圆极化波的独立双旋向通道或2个解锁旋向通道，该频率的旋向相位和功能相互独立，其结构和方位角参数由旋向解耦方法确定，从而形成多元混合通道。4.一种如权利要求1-3之一所述多功能超表面的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：第一步：离散超表面，设计两种具有模式和极化串扰小的子结构1和子结构2，并进行对角棋盘排列，确定双开口环谐振器的结构尺寸；设px=py，子结构1和子结构2拥有相同周期，为px/2=py/2；复合单元周期根据高端频率f2进行考虑，设计原则是使px和py小于f2处的工作波长，满足亚波长特性；离散超表面并确定周期后，对整个复合超表面单元进行电磁特性仿真，并确定双开口环谐振器的结构尺寸和获得十字贴片的参数扫描特性；这里双开口环谐振器的结构尺寸R和g根据f1确定，具体使f1处x，y极化下复合超表面单元的幅度和相位满足|ryy|≈|rxx|和|φyy-φxx|=180°；第二步：选取子结构2中随x、y极化变化敏感的2组参数lx和ly，分别对lx和ly进行参数扫描分析，建立φx-lx，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许河秀，刘海文，彭清，王光明，王朝辉，王彦朝，
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