一种双频左右旋独立调控超表面设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于人工电磁材料设计中的双频左右旋独立调控超表面设计方法。该设计方法将超表面设计中的几何相位、传播相位与优化算法相结合，可以快速准确地设计出工作在两个频段的左右旋解耦合的超表面单元，可以独立地控制双频左右旋四个通道的电磁波反射相位。超表面由三层可独立控制长度和旋转角的大小十字金属结构，三层介质层以及一层金属背板组成。同时，本发明专利技术首次将单元中的传播相位

【技术实现步骤摘要】
一种双频左右旋独立调控超表面设计方法

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[0001]本专利技术涉及一种新型的双频左右旋独立调控超表面设计方法，属于人工电磁材料领域，涉及一种双频超表面单元优化方法，具有简便、快速、高效的特点，同时可以在设计的双频段左右旋共四个通道实现完全独立解耦的功能。

技术介绍
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[0002]超构材料是一种由亚波长微结构按照一定规律排列成的新型人工电磁材料，自从问世以来便受到人们的广泛关注。不同于自然界中的天然材料，超构材料可以实现一些奇特的电磁性质，如负折射率，负介电常数，负磁导率等。这样的理论设想最早由前苏联科学家于1968年提出，但是最终直到1996年才被英国科学家通过实验验证。后来。为了解决超材料的加工复杂，成本高，损耗大等不足之处，2011年哈佛大学的教授又提出超表面这一概念，通过将三维的超材料二维化，进一步推进了人工电磁材料在实际中的应用。
[0003]目前已有的圆极化超表面往往是采用几何相位单元对左旋圆极化和右旋圆极化电磁波进行调控，几何相位超表面虽然能够实现相位的连续调控，但是其调控时两个圆极化之间存在耦合，即二者功能不能完全独立。几何相位(单元旋转角)结合传播相位(单元尺寸变化)的方式能够直接实现两个圆极化电磁波的完全解耦，但是随之而来的问题是既有旋转角变化，又有尺寸变化会影响到超表面再其他频段的工作模式。多频圆极化超表面进行集成并解耦这项技术长期以来受到串扰的限制，但是圆极化电磁波在卫星和雷达等领域应用广泛，因此还是具有重要的研究意义。本专利技术设计的双频左右旋独立调控超表面将几何相位、传播相位、优化算法相结合，能够在两个频点(10GHz和17.8GHz)处的左旋圆极化波和右旋圆极化波入射实现完全独立的四功能，如波束异常反射与波束分裂等。

技术实现思路
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[0004]专利技术目的：本专利技术提供了一种双频左右旋独立调控的各向异性超表面设计方法，通过对双频左右旋四个通道赋予独立的相位分布，可以实现四个独立的功能，并且左右旋之间完全解耦合，高低频之间的串扰也得到很好的抑制。这种极化，频率复用的各向异性超表面在左右旋解耦超表面的基础上又增加了一个频率的调控自由度，进一步增加了信道容量，同时为无线通信中设备的集成及小型化时串扰的抑制方面提供了思路，具有许多潜在的应用。
[0005]技术方案：本专利技术的双频左右旋独立调控超表面将几何相位、传播相位与优化算法相结合，其中几何相位与传播相位结合的目的是实现左旋圆极化波和右旋圆极化波反射想响应的解耦，而优化算法的目的则是有效抑制双频之间的电磁响应串扰。本专利技术所述的各向异性单元结构包括上、中、下三层复合金属结构，三层厚度分别为h1，h2，h3的介质层以及底层的金属背板。其中上、中层金属结构都为2
×
2阵列均匀分布的十字形贴片，且这八个十字形贴片参数完全相同，第三层金属结构为较大一些的耶路撒冷十字贴片。因此每个单元结构总共有9个十字形金属贴片，通过设计这些十字两个方向的长度(L
x
，L
y
，l
x
，l
y
)和转
角(α，β)来实现对双频左右旋圆极化电磁波的独立调控。因为电磁波响应的频率跟金属结构的尺寸相关联，因此这里单元中完全相同的八个十字形金属贴片是高频响应对应的结构，较大的耶路撒冷十字对应的则是低频响应。由于高频十字贴片较多且为双层结构，谐振更强，故双频之间的串扰主要为超表面工作时高频对低频工作模式的串扰，而低频对高频则无串扰。经过具体的理论分析及仿真验证，串扰分为高频十字对低频的传播相位串扰和几何相位串扰，且以前者为主。为了有效抑制这一串扰，首先确定高频单元结构，将已定高频结构带来的串扰作为低频工作时候的预设条件，再进一步对低频结构两个方向的长度和旋转角进行迭代优化。因此几何相位、传播相位结合优化算法能够有效实现对高低频、左右旋的圆极化的解耦合，所设计的超表面四个通道也可以基于此实现完全独立的四个功能。
[0006]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0007]1、极化复用：本专利技术所述的双频左右旋独立调控超表面可以在双圆极化电磁波入射下实现完全不同的功能，如左旋单波束异常反射，右旋波束分裂等，打破了传统几何相位超表面带来的左右旋耦合效应。
[0008]2、频率复用：本专利技术所述的双频左右旋独立调控超表面工作在高频和低频时的串扰被有效的抑制，可以在两个频段处实现不同的功能，如低频工作时在xoz面内波束分裂，高频工作时在yoz面内波束分裂等。
[0009]3、串扰抑制：本专利技术所述的双频左右旋独立调控超表面中应用的优化算法，将多频之间的串扰分为几何相位(旋转角)串扰和传播相位(长度)串扰，进一步独立考虑各种情况下x极化和y极化传播相位
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长度对应关系来解决相位补偿的问题，最终有效抑制了双频之间的串扰，为多频超表面集成设计提供了思路。
[0010]4、单向串扰：本专利技术所述的双频左右旋独立调控超表面单元的十字形金属贴片分为单层低频结构和双层高频结构，串扰只存在于高频结构对低频工作模式的串扰，而低频结构对高频工作模式没有影响。
附图说明：
[0011]图1是本专利技术涉及的双频左右旋独立调控超表面工作时的示意图，两个频点的线极化电磁波入射，四个圆极化通道(双频左右旋)可以赋予完全独立的四个功能。
[0012]图2是超表面单元的基本单元结构设计图。(a)单元的整体示意图，(b)单元各层结构展开示意图，(c)第三层金属结构的设计图，(d)第二层金属结构的设计图，(e)第三层金属结构的设计图。
[0013]图3是单元的幅度相位曲线。(a)高频十字形结构不同长度下对单元的相位曲线，(b)高频十字形结构不同长度下对单元的幅度曲线，(c)低频十字形结构不同长度下对单元的相位曲线，(d)低频十字形结构不同长度下对单元的幅度曲线。
[0014]图4是不同高频编码下，线极化入射时传播相位与低频十字两个方向的长度之间的关系。(a)高频编码为00，即对高频左右旋圆极化电磁波相位调制分别为0
°
和0
°
时。(b)高频编码为06，即对高频左右旋圆极化电磁波相位调制分别为0
°
和270
°
时。(c)高频编码为26，即对高频左右旋圆极化电磁波相位调制分别为90
°
和270
°
时。
[0015]图5是双频左右旋独立调控超表面单元的优化设计流程图，插图为x极化和y极化的传播相位分别随着十字形结构尺寸长度变化的曲线。
[0016]图6是几种优化后的双频左右旋独立调控超表面单元结构示意图。
[0017]图7是超表面独立调控双频左右旋波束的远场散射图。(a)低频左旋入射，(b)低频右旋入射，(c)高频左旋入射，(d)高频右旋入射。
[0018]图2种，1
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第一层高频金属结构；2
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第二层高频金属结构；3
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第三层低频金属结构；4
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双频左右旋独立调控超表面设计方法，其特征在于，设计的超表面能够独立调控两个频段的左右旋圆极化电磁波，按照预先设计好的相位排布可以实现四个完全解耦合的功能。2.根据权利要求1所述的双频左右旋独立调控超表面，其特征在于，将几何相位、传播相位与优化算法相结合。其中几何相位与传播相位的目的在于解除左旋圆极化波与右旋圆极化波之间的耦合；优化算法的目的在于抑制高频和低频之间的串扰。3.根据权利要求1所述的双频左右旋独立调控超表面，其特征在于，所述的单元结构包括上、中、下三层复合金属结构，三层厚度分别为h1，h2，h3的介质层以及底层的金属背板。4.根据权利要求1所述的双频左右旋独立调控超表面，其特征在于，所述的单元第一层金属结构和第二层金属结构相同，均为2
×
2均匀分布的小十字形金属贴片。5.根据权利要求1所述的双频左右旋独立调控超表面，其特征在于，所述的单元第三层金属结构，为单个耶路撒冷十字形金属贴片...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯一军，屈凯，陈克，胡琪，张娜，赵俊明，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：