【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电磁超表面，具体为一种宽带、高效率超表面任意极化产生器及其设计方法。
技术介绍
1、集成化小型化对电磁器件空间尺寸提出了严苛要求，具有灵活电磁调控的超表面表现亮眼，超表面的出现使我们不在依赖于复杂的电磁集成系统，为新一代的电磁器件提供了契机与希望。之前的十年里，超表面主要集中于幅度、相位、极化、拓扑、动量中的单一或者两个维度电磁特性灵活操控，已经应用于超透镜、高增益天线、电磁波吸收、极化转换中。幅度、相位、极化、拓扑、动量等的电磁波多维度联合控制也为拓展电磁功能与应用场景提供了可能，如超分辨率成像与显示、低副瓣天线，多功能集成、多维信息加密传输、多通道轨道角动量产生等。它还可以保证电磁信息传输的安全性，应用于隐蔽通讯、电磁抗干扰等场景中。难以满足复杂的应用场景以及质量与效率需求。
2、目前，超表面极化操控多集中于圆极化或部分线极化的幅度与相位，忽略了整个琼斯矩阵中的大部分极化矢量。根据物体的变极化效应，可用于视觉成像、雷达与遥感探测等领域，利用超表面已经实现了超表面全极化相机。一方面，它可提供更加丰富的极化信息，可以用于矢量成像、探测中。另一方面，极化之间的不相关性也可以同时对信息进行传输或者加密，广泛用于极化复用与信息传输、信息加密。由于超表面单元结构之间的耦合，幅度与相位的灵活控制一直是自旋解耦结构的难点。目前，超表面产生任意极化电磁波的方法存在工作频段、带宽与效率问题，严重影响了超表面在全极化器件中的拓展与应用。例如对于传输相位与几何相位相结合的方式解耦控制交叉圆极化通道的幅度与相位，产生任意极化
技术实现思路
1、本专利提出一种宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
2、步骤1，设计高反射效率的自旋解耦结构，解耦pb相位引起的自旋锁定效应的两自由度的超表面子单元；
3、步骤2，基于两自由度的超表面子单元计算实现交叉圆极化通道一个幅度调控的条件的三自由度的超表面单元；
4、步骤3，基于三自由度的超表面单元计算实现交叉极化下幅度与相位独立操控的条件的四自由度的超表面单元；
5、步骤4，基于四自由度的超表面单元和任意极化的产生条件确定超表面任意极化产生器的拓补结构。
6、更近一步地，在步骤1中，所述自旋解耦两自由度的超表面单元采用金属-介质基板-自旋解耦金属结构，能够实现两个自由度调控-左旋与右旋极化通道相位；
7、所述自旋解耦两自由度的超表面子单元由内圆盘和外环组成，内圆盘与外环通过金属条连接，外环由左上、左下、右上与右下圆弧结构组成；通过控制超表面子单元i右上与左下等长圆弧α1的长度，实现在右旋通道内引入不同的aa相位：结合pb相位与aa相位的琼斯矩阵jgeo-aa为：
8、
9、其中，i为虚数单位，jgeo-表示结合pb相位与aa相位的琼斯矩阵，θ1表示超表面子单元i的旋转角度，表示超表面子单元i在右旋通道施加的aa相位。
10、更近一步地，在步骤2中，在所述两自由度的超表面子单元i基础上，引入了自旋解耦结构的超表面子单元ii来解耦交叉圆极化通道的幅度项，该超表面单元在交叉圆极化通道内具备一个幅度项与两个相位项的三自由度；
11、所述三自由度的超表面单元包括两个超表面子单元，超表面子单元i和ii具有相同的几何结构且超表面子单元i右上与左下圆弧α1长度与超表面子单元ii右上与左下圆弧α2长度相等，并且超表面子单元i与超表面子单元ii具有不同的旋转角；通过超表面子单元i与ii的圆弧α1与α2将超表面子单元i的aa相位与超表面子单元ii的aa相位引入到右旋圆极化通道中，施加相同aa相位但不同pb相位的两个超表面子单元琼斯矩阵为
12、
13、其中，表示超表面子单元i在右旋通道施加aa相位，表示超表面子单元ii在右旋通道施加aa相位，θ1表示超表面子单元i的旋转角度，θ2表示超表面子单元ii的旋转角度，和分别表示为施加aa相位与但不同几何相位θ1与θ2的两个超表面子单元琼斯矩阵；
14、超表面子单元i与ii的旋转角度差则会引入幅度控制项cos(θ2-θ1)，左旋与右旋通道的相位项分别为通过δ1控制解耦两个交叉极化相位，实现相位独立操控。
15、更近一步地，在步骤3中，所述四自由度的超表面单元在三自由度的超表面单元上进一步增加几何参数拓展琼斯矩阵的自由度；分别对超表面子单元i和超表面子单元ii选择不同长度的弧长与旋转角度；通过改变超表面子单元i和超表面子单元ii中弧长与旋转角度四个参数独立控制交叉圆极化通道下的幅度与相位，从而在线极化入射时产生任意极化波：
16、和分别表示具有不同pb相位和aa相位超表面子单元的琼斯矩阵；和分别表示在超表面子单元i和ii右旋通道施加的aa相位，δθ＝θ2-θ1，∑θ＝θ2+θ1，
17、更近一步地，在步骤4中，根据任意极化的产生条件确定所需超表面单元左旋与右旋通道的相位差与幅度比：
18、
19、
20、并通过其与超表面单元几何参数之间的关系：
21、
22、其中，ψ与χ分别代表极化角与椭圆角，与分别代表右旋圆极化通道和左旋圆极化通道的相位，ar和al分别代表右旋圆极化通道和左旋圆极化通道的幅度；
23、选择保障最大极化转化率，可根据以及求解出高效的任意极化转换超表面单元的几何参数；
24、所述几何参数包括超表面子单元i和ii的旋转角度θ1与θ2，超表面子单元i右上与左下弧长α1和超表面子单元ii右上与左下弧长α2。
25、还提供了根据所述宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法设计的宽带、高效率超表面任意极化产生器，所述宽带、高效率超表面任意极化产生器由2m*2m个自旋解耦的超表面单元在平面内延拓排列组成；
26、所述超表面单元最下层为平面金属背板，主要工作在反射模式下；中间层为f4b介质基板；最上层为金属自旋解耦结构；
27、所述自旋解耦结构包括超表面子单元i和超表面子单元ii，超表面子单元i和超表面子单元ii均由内圆盘和外环组成，内圆盘与外环通过金属条连接，外环由右上、左上、左下与右下圆弧结构组成；
28、超表面子单元i和超表面子单元ii具有不同的单元转角和右上与左下弧长。
29、更近一步地，所述超表面单元周期px＝20mm，py＝10mm，超表面单元最下层为平面金属背板，金属层厚度u＝0.035mm，使超表面工作在反射模式下；中间层为f4b介质基板，介电常数与损耗正切角分别为2.65与0.001，厚度h＝2mm。
30、更近一步地，所述超表面单元周期px＝20mm，py＝10mm本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，其特征在于，在步骤1中，所述自旋解耦两自由度的超表面单元采用金属-介质基板-自旋解耦金属结构，能够实现两个自由度调控-左旋与右旋极化通道相位；
3.根据权利要求2所述宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，其特征在于，在步骤2中，在所述两自由度的超表面子单元I基础上，引入了自旋解耦结构的超表面子单元II来解耦交叉圆极化通道的幅度项，该超表面单元在交叉圆极化通道内具备一个幅度项与两个相位项的三自由度；
4.根据权利要求3所述宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，其特征在于，在步骤3中，所述四自由度的超表面单元在三自由度的超表面单元上进一步增加几何参数拓展琼斯矩阵的自由度；分别对超表面子单元I和超表面子单元II选择不同长度的弧长与旋转角度；通过改变超表面子单元I和超表面子单元II中弧长与旋转角度四个参数独立控制交叉圆极化通道下的幅度与相位，从而在线极化入射时产生任意极化波：
<...【技术特征摘要】
1.一种宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，其特征在于，在步骤1中，所述自旋解耦两自由度的超表面单元采用金属-介质基板-自旋解耦金属结构，能够实现两个自由度调控-左旋与右旋极化通道相位；
3.根据权利要求2所述宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，其特征在于，在步骤2中，在所述两自由度的超表面子单元i基础上，引入了自旋解耦结构的超表面子单元ii来解耦交叉圆极化通道的幅度项，该超表面单元在交叉圆极化通道内具备一个幅度项与两个相位项的三自由度；
4.根据权利要求3所述宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，其特征在于，在步骤3中，所述四自由度的超表面单元在三自由度的超表面单元上进一步增加几何参数拓展琼斯矩阵的自由度；分别对超表面子单元i和超表面子单元ii选择不同长度的弧长与旋转角度；通过改变超表面子单元i和超表面子单元ii中弧长与旋转角度四个参数独立控制交叉圆极化通道下的幅度与相位，从而在线极化入射时产生任意极化波：
5.根据权利要求4中所述宽带、高效率超表面任意极化产生器的设计方法，其特征在于，在步骤4中，根据任意极化的产生条件确...
【专利技术属性】
技术研发人员：许河秀，刘桐，冯为可，王政杰，张帆，王朝辉，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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