【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新型电磁超构材料，涉及一种1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面的结构、设计方法和应用。
技术介绍
1、太赫兹波是一种频率在0.1-10thz范围内的电磁波，在太赫兹全息成像和高速无线通信等领域具有广泛的应用前景。传统射频元器件在太赫兹频段范围内难以工作，电磁超材料是一种人工结构材料，通过对亚波长尺度的结构单元进行周期性或非周期性排列，可实现对太赫兹波的灵活操纵。电磁超表面，是一种低剖面、轻量化且易于集成的二维超材料，因其优异的电磁调控特性，受到了电磁学、电子信息和物理学等领域研究者的广泛关注。
2、通过独立设计超表面单元的尺寸参数，可以实现各个单元对电磁波相位、幅度和极化等物理参数的独立调控，从而按需获得想要的复杂电磁场分布以满足特定的功能需求。基于超表面单元的相位不连续性或幅度不连续性分布，借鉴数字信息领域的思维，可将具有特定电磁波响应的单元离散为有限类型并采用数字“0”和“1”进行表示。对于相位不连续型1bit电磁表面，其对应的2个基本单元相位差为180°，而幅度响应基本一致，便可得到“0”和“1”两种编码；对于2bit相位不连续型电磁表面，其对应4种基本单元，则可用“00”、“01”、“10”和“11”四种编码状态编码。相应的，对于幅度不连续型电磁表面，高透过率用数字“1”表示，低透过率用数字“0”表示，则同样可以用编码的思维设计幅度调制超表面。传统超表面一经加工功能便随之固定，显然不利于实际应用，为实现超表面功能的动态控制，如pin二极管、变容二极管、相变材料和液晶材料等调控手段被广
3、近年来，随着人工智能、神经网络和机器学习等技术的发展，智能超表面(irs)、可重构智能超表面(ris)等新兴概念相继被提出，搭建起物理世界与信息世界的桥梁，对推动b5g和6g无线通信技术的发展起到了举足轻重的作用。由于本专利技术工作频率位于太赫兹频段，传统pin二极管和变容管在太赫兹频段存在很大的寄生效应，难以在太赫兹频段工作。液晶作为在太赫兹频段具有大双折射效应的材料，为太赫兹动态可重构器件提供了理想解决方案，而当前基于液晶的透射式太赫兹器件存在透射幅值低、调相范围小、极化单一及功能匮乏等缺点。
技术实现思路
1、技术问题：
2、本专利技术的目的在于提供一种1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面。本专利技术在上下层金属微结构形成的腔室中填充调控介质液晶层，采用fpga编程控制电压的方式实时动态调控超表面单元，进而改变超表面单元的电磁透射响应特性，特别的，设计的编码超表面对于x极化入射波和y极化入射波具有相互独立的电磁响应，是一种太赫兹频段范围内透射式极化复用多功能数字编码超表面，具有很大的创新性和可行性。
3、技术方案：
4、本专利技术所提出的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面由多个亚波长单元组成二维阵列结构，纵向和横向排列的单元彼此分开，以保证各单元独立馈电，所述的亚波长单元的结构主要包括上下层石英基底、上下两层金属微结构、中间调控介质液晶层。其中，在上下层石英基底的内表面分别沉积上下层金属微结构，调控介质液晶层存在于上下层石英基底形成的腔室中。
5、其中，所述的亚波长金属微结构是一对圆弧形对称开槽结构，每对圆弧形开槽结构由2段非等长圆弧组成，对应的弧度分别为7π/12和5π/12，上下层金属微结构之间填充液晶层。
6、所述的亚波长金属微结构所用材料为金，其工作频率为太赫兹频段。
7、所述的调控介质液晶层为向列相液晶。
8、所述的上下层介质衬底为石英玻璃，其介电常数为3.78，损耗角正切为0.002。
9、所述的上下层金属微结构为相同图案化金属层，能有效提高电磁波的透过率，因此该1-比特太赫兹电控数字编码超表面为一种透射式的超表面。
10、所述的调控介质液晶层的介电常数通过加载在上下层金属微结构上的方波电压信号进行调节，在太赫兹频率范围内，方波电压由阈值电压增加至饱和电压时，液晶的介电常数逐渐增大。
11、所述的电控数字编码超表面被x极化波垂直入射时，亚波长单元在未加载和加载电压时，透射性质有明显区别，即在设计工作频率范围内透射幅度相近、相位相差180°，从而获得“0”和“1”两种数字编码单元并能实时动态切换。
12、所述的电控数字编码超表面被y极化波垂直入射时，亚波长单元在未加载和加载电压时，透射性质有明显区别，即在设计工作频率范围内透射相位相近，而幅度相差0.66，从而实现透射幅度的“0”/“1”编码调控。
13、所述的电控数字编码超表面，可根据不同的功能需要，计算获得不同相位编码序列，利用现场可编程门阵列fpga对加载在金属微结构上的方波电压进行编码控制，实现透射相位分布实时切换，进而对太赫兹透射波实现灵活控制，达到波束扫描、波束赋形和全息成像。
14、所述的电控数字编码超表面，可根据不同的功能需要，计算获得不同的幅度编码序列，利用现场可编程门阵列fpga对加载在金属微结构上的方波电压进行编码控制，实现电磁波透射幅度分布的实时切换，进而设计大调制深度(md)、低插入损耗(il)液晶空间光调制器。
15、所述的超表面单元为亚波长结构，其周期尺寸p约等于0.52λ(λ代表工作波长)，通过改变外半径r1、内半径r2和单元之间的连接线线宽w可以调整相位差和透过率，通过改变圆弧开槽的弧度大小(对应角度ro1)可以改变调相频率和调幅频率。
16、有益效果：
17、本专利技术具有以下优点：
18、1.本专利技术提供一种1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，通过精心设计双层亚波长金属微结构，相比于现有功能单一的透射式太赫兹液晶编码超表面，该专利技术仅在单一超表面平台可以同时实现x极化入射波或y极化入射波辐照下工作，且具有工作带宽大，工作频点丰富等特性。
19、2.本专利技术采用双层亚波长金属微结构，相比于其他透射式编码超表面，具有md大、il小、透射幅值大、调相范围广等优点。
20、3.本专利技术通过设计电控数字编码超表面单元，将可编程超表面的工作频率拓展到太赫兹频段，因此可以极大的提高研究者对太赫兹波的操纵能力。
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1.一种1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，该超表面由多个亚波长单元组成二维阵列结构，各亚波长单元独立馈电，所述的亚波长单元的结构包括上层石英基底(4)、上下两层的金属微结构(3)、调控介质液晶层(6)和下层石英基底(1)；其中，在上层石英基底(4)和下层石英基底(1)的内表面分别沉积金属微结构(3)中的上层和下层，调控介质液晶层(6)存在于上层石英基底(4)和下层石英基底(1)之间形成的腔室中。
2.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的金属微结构(3)是一对圆弧形对称开槽结构，每对圆弧形开槽结构由2段非等长圆弧组成，对应的弧度分别为7π/12和5π/12。
3.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的金属微结构(3)所用材料为金，其工作频率为太赫兹频段。
4.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的调控介质液晶层(6)为向列相液晶。
5.根据权利要求1所述的1
6.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的金属微结构(3)的上层和下层为相同图案化金属层，能有效提高电磁波的透过率，因此该1-比特太赫兹电控数字编码超表面为一种透射式的超表面。
7.根据权利要求4所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的调控介质液晶层(6)的介电常数通过加载在上下层的金属微结构(3)上的方波电压信号进行调节，在太赫兹频率范围内，方波电压由阈值电压增加至饱和电压时，液晶的介电常数逐渐增大。
8.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的数字编码超表面被X极化波垂直入射时，亚波长单元在未加载和加载电压时，在设计工作频率范围内透射幅度相近、相位相差180°，从而获得“0”和“1”两种数字编码单元并能实时动态切换。
9.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的数字编码超表面被Y极化波垂直入射时，亚波长单元在未加载和加载电压时，在设计工作频率范围内透射相位相近，而幅度相差0.66，从而实现透射幅度的“0”和“1”编码调控。
10.根据权利要求8所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的数字编码超表面，可根据不同的功能需要，计算获得不同相位编码序列，利用现场可编程门阵列FPGA对加载在金属微结构(3)上的方波电压进行编码控制，实现透射相位分布实时切换，进而对太赫兹透射波实现灵活控制，达到波束扫描、波束赋形和全息成像的效果，或实现电磁波透射幅度分布的实时切换，进而设计大调制深度、低插入损耗液晶空间光调制器。
...【技术特征摘要】
1.一种1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，该超表面由多个亚波长单元组成二维阵列结构，各亚波长单元独立馈电，所述的亚波长单元的结构包括上层石英基底(4)、上下两层的金属微结构(3)、调控介质液晶层(6)和下层石英基底(1)；其中，在上层石英基底(4)和下层石英基底(1)的内表面分别沉积金属微结构(3)中的上层和下层，调控介质液晶层(6)存在于上层石英基底(4)和下层石英基底(1)之间形成的腔室中。
2.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的金属微结构(3)是一对圆弧形对称开槽结构，每对圆弧形开槽结构由2段非等长圆弧组成，对应的弧度分别为7π/12和5π/12。
3.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的金属微结构(3)所用材料为金，其工作频率为太赫兹频段。
4.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的调控介质液晶层(6)为向列相液晶。
5.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的上层石英基底(4)和下层石英基底(1)所用材料为石英玻璃，其介电常数为3.78，损耗角正切为0.002。
6.根据权利要求1所述的1-比特透射式极化复用多功能太赫兹数字编码超表面，其特征在于，所述的金属微结构(3)的上层和下层为相同图案化金属层，能有效提高电磁...
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