在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法技术

本发明专利技术公开一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，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；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所有石墨烯单元的排列位置；根据待构建的石墨烯超表面的所有石墨烯单元的排列位置将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。本发明专利技术实施例运用石墨烯反射单元构建石墨烯超表面，并能够对电磁波在三维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制。

Supersurface construction of graphene with spin angular momentum deflection in three-dimensional direction

【技术实现步骤摘要】
在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法
本专利技术涉及微波通信的
，尤其涉及一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法。
技术介绍
近年来，控制电磁波的自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)的技术逐渐引起了人们的研究兴趣，由于它们能够应用在通信系统的极化分集和信道编码等方面，因此不断的有研究人员设计超表面器件来独立调控它们。这两种动量是一个传播电磁波的本征特性，它们分别与电磁波的极化和相位有关。由于超表面在控制电磁波极化和相位方面的灵活性，它们被广泛引用于不规则反射或折射、反射阵天线、涡旋波产生器和极化转换器等方面。随着通信速率逐渐提高，应用频段也会随着升高，能够应用在太赫兹(THz)频段的超表面成为了必然的趋势。现在一些应用太赫兹频段的超表面，大多数是使用金属单元设计的，由于金属在频率较高的THz频段本身的趋肤效应较严重，使电流集中在金属表面，电流分布不平均造成了单元阻抗增加，从而使整个超表面的损耗较高，不利于实际应用。
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在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，能够构建一种新型的石墨烯超表面来实现对THz频段电磁波的SAM进行调控，并对电磁波在三维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制，而且结构简单，易于集成。为实现上述目的，本专利技术提供了一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，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轴之间的旋转角度为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，其中，旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度；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以及所有墨烯反射单元的排列位置；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，所述待构建的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：Φ(x,y)＝Φ0(x,y)-k0sinθ'(xcosγ+ysinγ)，其中θ＝Φ(x,y)/2，式中，Φ0(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k0为自由空间中的波数，Φ(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ′为电磁波在二维方向上的投影与X轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角，γ为电磁波在三维方向上与Z轴的夹角；按照待构建的石墨烯超表面的所有石墨烯单元的排列位置将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。优选的，所述构建一个用于控制电磁波自旋方式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在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面。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，石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合。优选的，自由空间中的波数k0可以由下式计算：k0＝2π/(c/f)公式中，公式中，k0为自由空间中的波数，π＝3.14，光速c＝3e8，f为电磁波的频率。优选的，所述石墨烯贴片在小于10THz的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，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，其中室温T为300K，化学势μc＝0.64eV，弛豫时间τ＝14.6ps，石墨烯散射率取Γ＝1/(2τ)。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元时，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，所述石墨烯反射单元的仿真模型的初始尺寸参数通过计算机装置的输入单元输入如下参数：所述石墨烯贴片的长度为10um、宽度为2.9um，石英介质板的边长为13.5um、厚度25um，金属地板的边长13.5um、厚度0.5um。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；在石墨烯反射单元的仿真模型中设置“去嵌入”，表示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在三维方向上自旋角动量偏转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，直到满足在三维方向上自旋角动量偏转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，所述在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面由51*51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714um*714um。相较于现有技术，本专利技术提出新参数结构的石墨烯反射单元，该石墨烯反射单元具有360°全范围的反射相位，利用该石墨烯反射单元构建的石墨烯超表面能够对应用在太赫兹频段电磁波，能实现三维方向上的自旋角动量和反射波的偏转方向进行控制，也能够实现对任意圆极化波实现同极化转换，与现有技术中相比使用通常金材料的超表面，具有结构简单，表面损耗小，成本适中等优点。附图说明图1是实现本专利技术在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法的计算机装置的方框示意图；图2是本专利技术在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，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轴之间的旋转角度为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，其中，旋转角度θ为‑90°～90°范围内任意角度；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以及所有墨烯反射单元的排列位置；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，所述待构建的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：Φ(x,y)＝Φ0(x,y)‑k0sinθ'(xcosγ+ysinγ)，其中θ＝Φ(x,y)/2式中，Φ(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k0为自由空间中的波数，Φ0(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ′为电磁波在二维方向上的投影与X轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角，γ为电磁波在三维方向上与Z轴的夹角；按照待构建的石墨烯超表面的所有石墨烯单元的排列位置将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。...

【技术特征摘要】
1.一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，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轴之间的旋转角度为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，其中，旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度；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以及所有墨烯反射单元的排列位置；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，所述待构建的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：Φ(x,y)＝Φ0(x,y)-k0sinθ'(xcosγ+ysinγ)，其中θ＝Φ(x,y)/2式中，Φ(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k0为自由空间中的波数，Φ0(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ′为电磁波在二维方向上的投影与X轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角，γ为电磁波在三维方向上与Z轴的夹角；按照待构建的石墨烯超表面的所有石墨烯单元的排列位置将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。2.如权利要求1所述的在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，其特征在于，所述构建一个在三维方向上自旋角动量偏转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在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面。3.如权利要求2所述的在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，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，所述石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合。4.如权利要求1所述的在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，其特征在于，自由空间中的波数k0可以由下式计算：k0＝2π/(c/f)公式中，k0为自由空间中的波数，π＝3.14，光速c＝3e8，f为电磁波的频率。5.如权利要求2所述的在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，其特征在于，所述石墨烯贴片在小于10THz的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，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...

【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，
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