一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面，该超表面由若干个超表面单元按照一定的编码排列构成；其中，超表面单元由上至下依次包括金属贴片层(1)、介质基板(2)和金属地(3)。超表面单元金属贴片层(1)具有沿x方向和y方向的正交结构，便于对x极化和y极化电磁波反射相位进行独立控制，进而实现极化转换功能。超表面单元采用2

【技术实现步骤摘要】
一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面


[0001]本专利技术属于新型人工电磁材料领域，尤其涉及一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面。

技术介绍

[0002]超材料是由亚波长单元结构有序排列构成，具有超常电磁特性的人工复合材料。超材料的特性取决于人工设计的单元结构，通过对单元的设计，可实现如零折射率、负折射率等自然材料所不具备的独特性能。超表面作为超材料的二维形式，不仅能对电磁波的波束方向、极化方式进行灵活调控，还具有剖面低、易制备的优势，应用场景更为广阔。
[0003]编码超表面是一种能够通过单元编码排布对电磁波进行复杂调制的超表面。其中，360
°
相位被离散化，并由一系列二进制编码单元代表。例如在1
‑
bit编码下，超表面由单元“0”和“1”构成，具有相差180度的相位响应。根据广义Snell定律，编码超表面可以通过阵列编码控制相位梯度，进而控制反射或透射波束的偏折方向，实现较为复杂的功能，如RCS缩减，涡旋波束，波束定向偏折等。
[0004]极化转换超表面则能够通过对超表面单元贴片的合理设计，实现交叉极化转换或线圆极化转换的功能。在现代雷达和通信系统中，极化转换作为一种有效的抗干扰技术和圆极化天线的实现方法受到广泛关注。相较于其他计划转换器，极化转换超表面具有结构简单、宽带的特点，应用前景广阔。
[0005]实现具有多种功能的集成器件一直是通信系统的发展方向。然而，大部分已有的用于实现波束偏折功能的编码超表面和极化转换超表面功能都较为单一，具有波束偏折功能的超表面往往不会调控电磁波的极化，而传统极化转换超表面往往由单一单元简单排列组成，无法操控电磁波的方向。并且每种功能都需通过一整块超表面实现，如果应用在同一个系统中，不仅会使系统庞大复杂，还将使损耗和成本大大增加。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面,以解决传统超表面在上述两种功能上集成度低、实用性不强的技术问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的具体技术方案如下：
[0008]一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面，其特征在于，超表面由若干个2
‑
bit编码的超表面单元“00”、“01”、“10”和“11”排列构成；其中，超表面单元由上至下依次包括金属贴片层、介质基板和金属地；所述金属贴片层采用正交结构。
[0009]进一步，所述超表面单元金属贴片层采用的正交结构具体由两组分别沿x、y方向放置，相互垂直的矩形加弧形铜片结合构成，形成十字形结构；所述每组贴片均包括一个矩形铜片和两个相同的弧形铜片。
[0010]进一步，所述超表面单元的每组贴片中，矩形铜片长边分别与x或y方向平行，矩形铜片中心与超表面单元中心重合。两个弧形铜片截取自以矩形铜片长为直径的圆，关于矩
形铜片的中心中心对称，两个弧形铜片的中点与矩形铜片长边末端相结合。
[0011]进一步，所述超表面单元采用2
‑
bit编码，共有四种，用二进制编码分别表示为“00”、“01”、“10”和“11”，其代表的反射相位分别为：0
°
、90
°
、180
°
和270
°
；四种单元之间的区别在于金属贴片层中两个矩形贴片的长度和四个弧形贴片所对圆心角的角度。
[0012]进一步，本专利技术根据广义Snell定律对超表面单元进行编码，制造相位梯度，即可控制电磁波的定向偏折。
[0013]进一步，所述超表面单元介质基板材料为FR4，相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025。
[0014]进一步，所述超表面单元金属地为将介质基板底部完全覆盖的正方形铜片。
[0015]本专利技术的一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面，具有以下优点：
[0016]1、本专利技术设计的超表面单元金属贴片层由两组分别沿x、y方向放置，相互垂直的矩形加弧形铜片结合构成，形成十字形正交结构，能够对x极化和y极化电磁波的反射相位进行独立调控，对电磁波的调控十分灵活。
[0017]2、本专利技术设计的2
‑
bit超表面单元在能够组成编码阵列调制反射波反射方向和形态的同时，还集成了极化转换功能，可直接将入射的线极化波转换为向指定方向辐射的圆极化波，简化了圆极化波的调制过程。
[0018]3、本专利技术还具备频带宽、复杂度低、易于加工等特点。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面结构示意图；
[0020]图2(a)为本专利技术超表面单元的俯视图；
[0021]图2(b)为本专利技术超表面单元的侧视图；
[0022]图3为本专利技术4种超表面单元贴片结构示意图；
[0023]图4(a)为x极化波入射时得到x极化反射波的相频响应的仿真曲线；
[0024]图4(b)为y极化波入射时得到y极化反射波的相频响应的仿真曲线；
[0025]图5为本专利技术实施例的超表面阵列编码序列；
[0026]图6为45
°
极化电磁波激励下，本专利技术实施例的超表面在57GHz处的三维远场方向图；
[0027]图7为本专利技术实施例的超表面57GHz处远场方向图在φ＝210
°
的切面；
[0028]图8为本专利技术实施例的超表面57GHz处φ＝210
°
切面的轴比；
[0029]图中标记说明：1、金属贴片层；2、介质基板；3、金属地；11、单元“00”的金属贴片层；12、单元“01”的金属贴片层；13、单元“10”的金属贴片层；14、单元“11”的金属贴片层。
具体实施方式
[0030]为了更好地了解本专利技术的目的、结构及功能，下面结合附图，对本专利技术一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面做进一步详细的描述。
[0031]本专利技术设计了一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面，首先设计了一种可以将入射线极化波转换为圆极化波的2
‑
bit编码超表面单元。超表面单元贴片具有分别沿x方向和y方向的结构，两个方向上单元贴片的参数可以单独调节，进而实现了对x极化和
y极化电磁波反射相位的独立控制。x、y方向上相位调节的独立性为极化转换功能的实现提供了便利。为实现2
‑
bit单元编码，调节参数使相邻bit单元反射相位相差90
°
，故单元“00”、“01”、“10”和“11”代表的反射相位分别为：0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。本专利技术实施例中超表面由20
×
20个超表面单元按照一定的编码排列构成，根据广义Snell定律对单元进行编码，制造相位梯度，实现了反射波束向θ＝30
°
,φ＝210
°
方向的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面，其特征在于，超表面由若干个2
‑
bit编码的超表面单元“00”、“01”、“10”和“11”排列构成；其中，超表面单元由上至下依次包括金属贴片层(1)、介质基板(2)和金属地(3)；所述金属贴片层(1)采用正交结构。2.根据权利要求1所述的具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面，其特征在于，超表面单元金属贴片层(1)采用的正交结构具体由两组分别沿x、y方向放置，相互垂直的矩形加弧形铜片结合构成，形成十字形结构；所述每组贴片均包括一个矩形铜片和两个相同的弧形铜片。3.根据权利要求2所述的具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面，其特征在于，每组贴片中，矩形铜片长边分别与x或y方向平行，矩形铜片中心与超表面单元中心重合；两个弧形铜片截取自以矩形铜片长为直径的圆，关于矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐甜甜，杨瑞，李文倩，曹硕，蒋卫祥，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：