【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微波电磁超表面，具体涉及一种极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面。
技术介绍
1、超表面作为一种人工合成的复合材料，由于其所具有的超薄厚度、小尺寸、重量轻、剖面低、可操纵电磁波等特性，在军事、光学和医学领域发挥着极其重要的作用。目前，利用超表面的设计已经受到极化转换器件和吸波器件的青睐。极化转换器可以根据实际需求控制电磁波的偏振模式，实现线-线或线-圆的转换，而吸波器则是使入射到物体表面的大部分电磁波能量被吸收并转换为其他形式，几乎不存在反射。
2、近年来，研究者们通过使用不同材料并对各项几何参数进行优化，已经设计出了一些具有高极化转换效率的极化转换器和高吸收率的吸波器，但其结构只能专注于具有极化转换或吸收的单一功能，且一旦器件制造完成，功能将无法改变，这极大地限制了超表面应用的多样性。此外，现有超表面无法同时将工作频段内产生的各项参数控制在所需数值范围内以实现对交叉线极化和吸收的量化，更无法实现同时连续调控线极化转换和吸收幅值。
3、在微波电磁工作领域缺少不需要额外添加有源器件就能在同一结构单元中同时集成极化转换和吸收两种功能的超表面，并且两种功能的效率与相对带宽不能同时保持在较高水平。所使用的介质局限于刚性材料，无法适用于具有复杂目标形状的器件上。在同一单元中使用柔性介质实现具有可弯曲共形、高线极化转换率、高吸收率、宽工作频带、极化转换和吸收效率能同时连续动态调节等功能仍是目前电磁超表面领域的研究重点与难点。
技术实现思路
1、本专利技术
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面，其结构包括五层，由上至下依次为带有二氧化钒矩形薄膜(2)和正方形贴片的八边形金属谐振器(1)顶层、上聚酰亚胺介质层(3)、空心八边形石墨烯薄膜(4)、下聚酰亚胺介质层(5)和底层金属板(6)。所述单元结构在o-xyz空间坐标系中沿x和y方向进行周期性排布形成超表面微结构，o为坐标轴原点。
4、根据本专利技术所述的双功能可切换超表面设计方法，所述二氧化钒矩形薄膜(2)的个数为2个，镶嵌于顶层八边形金属环(1)的对角线处，正方形贴片位于八边形金属环的中间，并与带有二氧化钒矩形薄膜的金属环共同附着在上聚酰亚胺柔性介质基板(3)上。
5、根据本专利技术所述的双功能可切换超表面设计方法，所述空心八边形石墨烯薄膜附着在下聚酰亚胺柔性介质基板(5)上。
6、根据本专利技术所述的双功能可切换超表面设计方法，所述两层聚酰亚胺柔性介质中间层与底层金属板(6)具有相同尺寸，但厚度不同。
7、根据本专利技术所述的双功能可切换超表面设计方法，所述结构单元顶层金属图案和石墨烯图案关于对角线对称。
8、根据本专利技术所述的双功能可切换柔性超表面设计方法，所述2个二氧化钒矩形薄膜(2)可通过改变其电导率实现从绝缘态到金属态的转变；空心八边形石墨烯薄膜(4)在微波段被视为欧姆片。
9、所述二氧化钒薄膜的相对介电常数εvo2在微波段表示如下:
10、
11、其中，ε为相对介电常数，vo2表示二氧化钒，εvo2表示二氧化钒的相对介电常数，δ为二氧化钒在金属态时的体积分数，下标insulating表示绝缘态，εinsulating表示二氧化钒绝缘态的相对介电常数，下标metallic表示金属态，εmetallic表示二氧化钒金属态的相对介电常数。在微波波段，二氧化钒的介电混合特性并不受εinsulating和εmetallic的影响，并且可以通过改变其电导率使二氧化钒实现从绝缘态到金属态的转变。在本专利技术中，绝缘态二氧化钒的电导率为10s/m，金属态二氧化钒的电导率为2×105s/m.
12、所述空心八边形石墨烯薄膜(4)的电导率函数可根据kubo公式给出：
13、
14、式中σ表示电导率，下标graphene表示石墨烯，ω为角频率，σgraphene(ω)表示石墨烯电导率。e、г和kb分别为电子电量、散射率和玻尔兹曼常数，t、和ef分别为工作时的环境温度、约化普朗克常数和费米能级。进一步地，微波频段单层石墨烯可等效为薄层电阻，其电阻rgraphene与电导率的关系为rgraphene＝1/σgraphene(ω)。
15、
16、根据本专利技术所述的双功能可切换柔性超表面设计方法，所述超表面单元的线极化转换率ζ满足：
17、
18、其中，下标n-1和n表示工作带宽内的任意两个相邻频点，ζn-1和ζn分别表示在第n-1和第n频点处经仿真得到的线极化转换率拟合值，τ为线极化转换率相对误差值。
19、根据本专利技术所述的双功能可切换柔性超表面设计方法，所述超表面单元的线极化转换率ζ的获得方法为：
20、
21、式中，ryx是沿坐标x轴方向入射的电磁波经极化旋转至y轴方向反射所形成的交叉极化反射系数，rxx是沿坐标x轴方向入射的电磁波几乎不发生极化旋转，直接从x轴方向反射所形成的同极化反射系数，二者获得方法可表示如下，
22、
23、其中，将x、y坐标轴分别逆时针旋转45°得到u、v坐标轴，m表示工作带宽内的任意工作频点，为相位差，表示在m频率处沿u和v轴方向的同极化反射相位差。
24、则所述超表面单元线极化转换率ζ表示为：
25、
26、进一步地，所述超表面单元线极化转换率ζ可等价为极化转换率误差控制函数pc(ζ)：
27、
28、式中，和分别为在第n-1和第n工作频点处沿u、v坐标轴方向的同极化反射相位差。
29、根据本专利技术所述的双功能可切换柔性超表面设计方法，所述超表面单元的吸收率a(ω)满足：
30、a(ω)≤|a(ω)0±α|
31、其中a(ω)0为吸收率的期望值，α表示吸收率的相对误差值。
32、根据本专利技术所述的双功能可切换柔性超表面设计方法，所述超表面单元的吸收率a(ω)的获得方法为，
33、a(ω)＝1-r(ω)-t(ω)
34、所述r(ω)和t(ω)分别表示反射率和透射率，由于超表面结构底层为金属铜背板，则电磁波会全被反射而不存在透射，即t(ω)＝0。则吸收率a(ω)可改写为：
35、a(ω)＝1-r(ω)
36、其中，反射率r(ω)可表示如下：
37、r(ω)≤|r(ω)0±χ|
38、所述r(ω)0为反射率期望值，χ为反射率相对误差值。
39、根据本专利技术所述的双功能可切换柔性超表面设计方法，所述超表面单元本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面设计方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面设计方法，其特征在于：
3.根据权利要求1至2所述的极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面设计方法，其特征在于：
4.根据权利要求1至3中任一项所述的极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面设计方法，其特征在于：
5.根据权利要求1至4中任一项所述的极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面设计方法，其特征在于：
6.根据权利要求1至5中任一项所述的极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面设计方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面设计方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面设计方法，其特征在于：
3.根据权利要求1至2所述的极化转换和吸收可切换的双功能柔性超表面设计方法，其特征在于：
4.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：付长凤，张镭，张易成，金燕，李娜，潘若雨，顾苏宁，居佳欣，王欣柯，周海燕，韩连福，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：
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