基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法技术

本发明专利技术公开一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法，应用于计算机装置中，该方法包括如下步骤：构建一个用于全相位范围调节的石墨烯反射单元，该石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；从输入待构建的石墨烯超表面所需的石墨烯反射单元的数量；计算待构建的石墨烯超表面各个位置处的相位分布来确定构成石墨烯超表面的每个石墨烯单元上石墨烯贴片的旋转角度；根据待构建的石墨烯超表面的每个石墨烯单元上石墨烯贴片的旋转角度将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。本发明专利技术能够准确的产生1‑拓扑模式的轨道角动量(OAM)的涡旋波，提高了涡旋波的性能和控制精度，同时也能够实现全相位调制。

Construction Method of Graphene Supersurface Based on All Phase Range Adjustment

【技术实现步骤摘要】
基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法
本专利技术涉及微波通信的
，尤其涉及一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法。
技术介绍
带有轨道角动量(OAM)的涡旋电磁波具有螺旋相位特性，这种螺旋相位依赖于相位因子e-jlφ，具有不同拓扑荷l(即不同的拓扑荷对应不同的拓扑模式，例如l＝1时对应1-拓扑模式)的涡旋电磁波相互正交独立，利用这一特性使用不同拓扑荷的波束可以区分不同的信道，实现在同一频带同时传输多路信息，或将信息编码为不同的涡旋模式进行传输。关于如何产生涡旋波有不少方面的研究，多数研究集中在微波频段，而随着通信速率的逐渐提高，应用频段也随之逐渐提升到太赫兹频段。而针对太赫兹频段，由于石墨烯材料具有低损耗和高导电性的特点常被用来设计太赫兹器件。目前用来产生涡旋波的石墨烯超表面，通常是通过改变石墨烯贴片形状或调节石墨烯化学势，从而获得不同反射相位的。但是这两种方法通常都只能实现0°～300°的相位调节范围，无法实现360°的全相位调节能力，这样在组成超表面时，就会降低涡旋波的性能和控制精度。此外，也有少数研究能够实现全相位调制，但使用的多层且复杂的结构，不便于集成。
技术实现思路
为了解决上述技术缺陷，本专利技术的主要目的在于提供一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法，旨在解决现有技术中石墨烯超表面无法实现0～360°全相位调控精确控制1-拓扑模式的轨道角动量(OAM)的涡旋波的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法，应用于计算机装置中，该方法包括如下步骤：构建一个用于全相位范围调节的石墨烯反射单元，该石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板，所述石墨烯贴片的长边与三维空间坐标轴X轴的旋转角度为θ，；从输入待构建的石墨烯超表面所需的石墨烯反射单元的数量；计算待构建的石墨烯超表面各个位置处的相位分布来确定构成石墨烯超表面的每个石墨烯单元上石墨烯贴片的旋转角度θ，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：其中，Φ(x,y)为每个位置处的反射相位，为每个位置处的方位角，l为拓扑模式的取值，x和y分别为横纵坐标位置；根据根据待构建的石墨烯超表面的每个石墨烯单元上石墨烯贴片的旋转角度将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。优选的，所述构建一个用于全相位范围调节的石墨烯反射单元的步骤包括如下具体步骤：确定石墨烯反射单元的三层组成结构；计算石墨烯贴片的电导率；利用PB相位法计算石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度；输入初始尺寸参数至HFSS仿真软件中建立石墨烯反射单元的仿真模型；对石墨烯反射单元的仿真模型进行仿真分析得到仿真分析结果；利用仿真分析结果得出石墨烯反射单元的实际尺寸参数；按照石墨烯反射单元的实际尺寸参数以及石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度构建所述用于产生基于全相位范围调节的石墨烯超表面。优选的，所述石墨烯反射单元由三层结构组成的长方体结构，所述石墨烯贴片为矩形，所述石英介质板和金属地板均为一种上下表面均为正方形的长方体结构，所述石墨烯贴片设置在石英介质板的上表面，且石墨烯贴片的长边与三维空间坐标轴X轴之间的夹角为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，石墨烯贴片的平面中心点的平面坐标与石英介质板的平面中心点的平面坐标重合。优选的，所述石墨烯反射单元的实际尺寸参数如下：所述石墨烯贴片的长度为13.39um、宽度为3.2um；所述石英介质板的边长为14um、厚度为26um；所述金属地板的边长为14um、厚度为1um；θ为0°～180°范围内任意角度。优选的，所述石墨烯贴片在低太赫兹频段内的电导率由带内电导率σintra决定，并由下式计算：在公式(1)中，j为虚部单位，e为单位电荷，kB为波尔兹曼常数，是约化普朗克常数，T是室温，Γ是石墨烯散射率，τ是弛豫时间，ω是角频率，μc为化学势。优选的，当石墨烯反射单元对两种线极化波的反射相位差180°时，石墨烯贴片旋转角度θ后实现2θ的反射相位，所述石墨烯反射单元按照PB相位法得到石墨烯贴片的旋转角度与反射波的反射相位关系通过下面公式得到：当一个左旋圆极化波沿-z方向垂直入射石墨烯反射单元的上表面时，入射波Ein和反射波Ere表示为：其中和分别是入射波对x分量和y分量的相位偏移；当石墨烯贴片旋转θ度后，旋转后的坐标x′y′z′和原始坐标xyz之间的关系被表示为：在和的条件下，公式(4)代入公式(3)中，反射波Ere表示为：由公式(5)得到左旋圆极化分量ErLHCP和右旋圆极化分量ErRHCP：在以上两式(6)和(7)中，当满足时，ErRHCP＝0(9)从两式(8)和(9)得出左旋圆极化分量ErLHCP被保留，幅度不变而相位变为原来的2倍(e-j2θ)。优选的，所述输入初始尺寸参数至HFSS仿真软件中建立石墨烯反射单元的仿真模型的步骤包括：在HFSS仿真软件中按照初始尺寸参数构建石墨烯反射单元的仿真模型；在墨烯反射单元仿真模型的上部设置一个空气腔，用于模拟在真空环境下石墨烯反射单元的电磁响应；建立石墨烯反射单元的两组主从边界条件并分别设置在空气腔的四个面上，用来模拟无限大的平面；在空气腔的最上端设置一个周期单元激励端口作为激励源，用来产生垂直向下的入射波，并将入射波从石墨烯贴片的上表面开始入射。优选的，所述利用仿真分析结果得出石墨烯反射单元的实际尺寸参数的步骤包括如下步骤：通过比较仿真分析结果与用于产生基于全相位范围调节的石墨烯超表面的预期设计性能的差异，不断调整输入的石墨烯反射单元的初始尺寸参数，直到满足用于产生基于全相位范围调节的石墨烯超表面的性能设计要求后，由计算机装置的输出单元输出石墨烯反射单元的实际尺寸参数。优选的，所述用于产生自旋涡波的石墨烯超表面由21*21个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，该石墨烯超表面的表面大小为294um*294um。相较于现有技术，本专利技术通过利用石墨烯反射单元产生1-拓扑模式的石墨烯超表面，由于使用的石墨烯反射单元能够获得0°～360°全相位范围内的值，因此超表面能够准确的产生1-拓扑模式的轨道角动量(OAM)的涡旋波，提高了1-拓扑模式的轨道角动量(OAM)的涡旋波的性能和控制精度，同时也能够实现全相位调制。附图说明图1是实现本专利技术基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法的计算机装置的方框示意图；图2是本专利技术基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法的流程图；图3为图2中步骤S21的细化子流程图；图4是用于构建石墨烯超表面的石墨烯反射单元的结构示意图；图5为石墨烯反射单元的角度旋转示意图；图6为利用HFSS仿真软件建立石墨烯反射单元的仿真模型示意图；图7是石墨烯反射单元的反射相位和反射幅度的曲线示意图；图8为本专利技术用于产生基于全相位范围调节的石墨烯超表面的立体结构示意图；图9为本专利技术用于产生基于全相位范围调节的石墨烯超表面的反射相位值分布图；图10为石墨烯超表面中的所有石墨烯反射单元分布的俯视图；图11为石墨烯超表面在垂直方向上分析涡旋波电场Ex分量的相位分布图。本专利技术目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法，应用于计算机装置中，其特征在于，该方法包括如下步骤：构建一个用于全相位范围调节的石墨烯反射单元，该石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板，所述石墨烯贴片的长边与三维空间坐标轴X轴的旋转角度为θ，；从输入待构建的石墨烯超表面所需的石墨烯反射单元的数量；计算待构建的石墨烯超表面各个位置处的相位分布来确定构成石墨烯超表面的每个石墨烯单元上石墨烯贴片的旋转角度θ，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：

【技术特征摘要】
1.一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法，应用于计算机装置中，其特征在于，该方法包括如下步骤：构建一个用于全相位范围调节的石墨烯反射单元，该石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板，所述石墨烯贴片的长边与三维空间坐标轴X轴的旋转角度为θ，；从输入待构建的石墨烯超表面所需的石墨烯反射单元的数量；计算待构建的石墨烯超表面各个位置处的相位分布来确定构成石墨烯超表面的每个石墨烯单元上石墨烯贴片的旋转角度θ，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：其中，Φ(x,y)为每个位置处的反射相位，为每个位置处的方位角，l为拓扑模式的取值，x和y分别为横纵坐标位置；根据待构建的石墨烯超表面的每个石墨烯单元上石墨烯贴片的旋转角度将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。2.如权利要求1所述的基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法，其特征在于，所述构建一个用于全相位范围调节的石墨烯反射单元的步骤包括如下具体步骤：确定石墨烯反射单元的三层组成结构；计算石墨烯贴片的电导率；利用PB相位法计算石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度；输入初始尺寸参数至HFSS仿真软件中建立石墨烯反射单元的仿真模型；对石墨烯反射单元的仿真模型进行仿真分析得到仿真分析结果；利用仿真分析结果得出石墨烯反射单元的实际尺寸参数；按照石墨烯反射单元的实际尺寸参数以及石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度构建所述用于产生基于全相位范围调节的石墨烯超表面。3.如权利要求2所述的基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法，其特征在于，所述石墨烯反射单元由三层结构组成的长方体结构，所述石墨烯贴片为矩形，所述石英介质板和金属地板均为一种上下表面均为正方形的长方体结构，所述石墨烯贴片设置在石英介质板的上表面，且石墨烯贴片的长边与三维空间坐标轴X轴之间的夹角为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，石墨烯贴片的平面中心点的平面坐标与石英介质板的平面中心点的平面坐标重合。4.如权利要求3所述的基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法，其特征在于，所述石墨烯反射单元的实际尺寸参数如下：所述石墨烯贴片的长度为13.39um、宽度为3.2um；所述石英介质板的边长为14um、厚度为26um；所述金属地板的边长为14um、厚度为1um；θ为0°～180°范围内任意角度。5.如权利要求2所述的基于全相位范围调节的石墨烯超表面的构建方法，其特征在于，所述石墨烯贴片在低太赫兹频...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晨，邓力，李书芳，张贯京，葛新科，张红治，刘建华，
申请(专利权)人：深圳市景程信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44