用于全空间电磁全息成像的单层编码超表面

技术领域

本发明属于编码超表面技术领域。

背景技术

全息成像技术是通过记录光或电磁波的幅度和相位信息重构物体图像的技术，这项技术已被应用于各种各样的领域，例如三维成像、数据存储等。然而，电磁波幅度、相位的任意调控是制约全息技术进一步发展的一个重大因素。基于人工微结构的电磁超表面由于可以表现出传统天然材料不具有的电磁或光学特性(如负折射)及任意调控电磁波参数的奇异特性而受到电磁、物理及材料等领域学者的重视。特别是超表面全息能够任意调控电磁波前，与传统的全息技术相比更具有高分辨率和更好的成像质量等优点，因此已经成为全息成像最有前景的技术之一。

在过去的几年里，高效率超表面全息、二维全息术、三维全息术、多色超表面全息和各种复用超表面全息等技术都已经蓬勃发展。然而，目前大多数超表面全息成像通常是在一半的成像空间(透射空间或反射空间)中实现的，而另一半空间未被利用，这就造成了电磁波资源的浪费，超表面全息的视角也被限制在半空间成像。因而限制了超表面的进一步应用。

2020年，东南大学的崔铁军教授提出了一种全空间可重构编码超表面全息，其编码单元是由四层金属和五层介质基板组成，该编码超表面在x和y极化电磁波激励下能够在全空间实现电磁图像字母“X”和“Y”的重构。同年，哈尔滨工业大学的张狂教授研究团队设计了一种单层传输型编码超表面全息，其超表面仅由一层介质和镶嵌在介质基板上的环形孔径金属构成，可以在15GHz处在传输空间重构正方形和菱形两种不同的电磁图像，但是也只能实现传输空间的全息成像，不能实现全空间全息成像。尽管目前已有关于全空间超表面全息和单层半空间超表面全息的相关报道，但是，仅用单层编码超表面在传输和反射空间实现不同的全息成像研究还很少。而且，由多层介质级联结构实现的超表面全息，不仅体积大、成本高、加工困难，还不利于与现代电磁器件与系统的集成。

发明内容

本发明是为了解决现有多层介质级联结构实现的超表面全息体积大、不利于与现代电磁器件或系统进行集成的问题，现提供用于全空间电磁全息成像的单层编码超表面。

用于全空间电磁全息成像的单层编码超表面，包括多个呈阵列排布的超表面单元，每个超表面单元均包括：编码单元和矩形的介质层，编码单元包括位于介质层上表面的上金属层和位于介质层下表面的下金属层，上金属层包括“Ⅱ”字形的第一金属片和两个矩形环并列排布而成的第二金属片，两个矩形环并列设置且相邻的两条边重叠，第一金属片和第二金属片重叠设置、且呈“十”字形结构，第二金属片的一条边与介质层的一条边相互平行，下金属层为能够完全覆盖介质层下表面的金属片，该金属片上开有矩形的镂空结构，该镂空结构相对的两条边中点通过条形缝隙连通，镂空结构与第二金属片镜像对称，上金属层、下金属层和介质层的几何中心重叠设置。

上述上金属层和下金属层的材料均为铜，电导率均为5.8×10

上述矩形环的边和镂空结构的条形缝隙宽度均为0.5mm。

上述介质层的相对介电常数为3.5，损耗正切为0.001。介质层的厚度为2mm。介质层表面为正方形，该正方形的边长为10mm。

上述用于全空间电磁全息成像的单层编码超表面，在垂直入射的x极化电磁波激励条件下，调整镂空结构相对的两条边和第二金属片相对的两条边的长度，使得单层编码超表面能够在9.75GHz～10.5GHz频带实现幅度调制，能够被调整的镂空结构的边和第二金属片的边相互垂直，且该镂空结构的边与条形缝隙相互垂直。

上述用于全空间电磁全息成像的单层编码超表面，在垂直入射的y极化电磁波激励条件下，调整第一金属片的长度，使得单层编码超表面能够在9.75GHz～10.5GHz频带实现180°相位差，且反射系数在工作频带内大于0.7。

上述两个矩形环呈一体式结构，第一金属片和第二金属片呈一体式结构。

本发明所述的用于全空间电磁全息成像的单层编码超表面，在同一编码超表面中实现了两个不同图像的电磁重构，克服了传统编码超表面体积大而导致不利于与现有设备集成的问题，能够满足现代电子系统在小型化、低剖面和高集成度等方面的发展需求。

附图说明

图1为超表面单元的三维透视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的仰视图；

图4为超表面单元中l

图5为超表面单元中l改变时的幅相曲线图；

图6为x极化波激励时编码超表面全息的仿真图；

图7为y极化波激励时编码超表面全息的仿真图；

图8为x极化波激励时编码超表面全息的测试图；

图9为y极化波激励时编码超表面全息的测试图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的用于全空间电磁全息成像的单层编码超表面，包括多个呈阵列排布的超表面单元，每个超表面单元均包括：编码单元和矩形的介质层2，介质层2的相对介电常数为3.5，损耗正切为0.001。本实施方式中，介质层2表面为正方形，该正方形的边长P

上金属层1包括“Ⅱ”字形的第一金属片和两个矩形环并列排布而成的第二金属片。

具体的，“Ⅱ”字形的第一金属片包括两个长金属条和两个短金属条，长金属条和短金属条的宽度均为0.5mm，两个长金属条平行设置、且中间留有距离w＝0.5mm。两个短金属条分别位于长金属条的两端、并与长金属条垂直连接(短金属条居中)。两个长金属条和两个短金属条呈一体式结构。将长金属条的长度记为l，短金属条的长度记为l

两个矩形环并列设置、且相邻的两条边重叠，使得两个矩形环呈一体式结构。矩形环的边宽度为0.5mm。

第一金属片和第二金属片重叠设置、且呈一体的“十”字形结构，第二金属片的一条边与介质层2的一条边相互平行。矩形环中与长金属条相互垂直的边长度记为l

下金属层3为能够完全覆盖介质层2下表面的金属片，该金属片上开有矩形的镂空结构，该镂空结构相对的两条边中点通过条形缝隙连通，镂空结构与第二金属片镜像对称，镂空结构与长金属条相互垂直的边长度记为m

上金属层1、下金属层3和介质层2的几何中心重叠设置。上金属层1和下金属层3的材料均为铜，电导率均为5.8×10

当条形缝隙呈水平方向设置，本实施方式具体响应如下：

在垂直入射的x极化电磁波激励条件下，调整l

在垂直入射的y极化电磁波激励条件下，调整l，相位和幅度响应如附图5所示，其中空心的三角形和实心的圆表示幅度，空心的矩形和实心的五角星代表相位。从图中可知当l取值分别为4.5mm和8.7mm时，超表面单元能够在反射工作模式在9.75GHz～10.5GHz频带实现180°的相位差，同时其反射系数在工作频带内大于0.7。因此，l＝8.7mm时的编码单元被编码为数字码元“0”；l＝4.5mm时的编码单元被编码为数字码元“1”。

将同时满足上述x、y极化电磁波激励条件后的编码单元组合到同一超表面中，按照图像幅度编码或相位编码进行排列，构成编码超表面，能够实现全息成像。仿真结果如附图6和7所示，测试结果如图8和9所示，从图6和8中可以看出，字母“F”被清晰地重构于近场区域。图7和图9则实现另一字母“H”的重构，测试结果与仿真结果吻合较好，证实了利用所提出的编码超表面实现全空间全息成像的有效性。

最终，上述超表面单元能够在9.75GHz～10.5GHz频带实现全空间电磁波调控。利用极化和工作模式(传输模式/反射模式)自由度，同时结合传输相位原理实现了传输电磁波幅度和反射电磁波相位的独立控制，并且两个工作模式互不干扰，具有较好的隔离度。

本实施方式能够在x和y两种线极化电磁波激励下分别通过幅度编码和相位编码实现全空间电磁波控制。所提出的编码超表面可以在y极化波激励时工作在反射模式，通过调控超表面顶层十字形贴片沿着y方向的臂长，实现相位编码超表面全息；同时在x极化波激励时工作在传输模式，通过改变超表面底部缝隙沿着y方向的尺寸和顶部十字形贴片沿着x方向的尺寸，实现幅度编码超表面全息。本发明在同一编码超表面中实现了两个不同图像的电磁重构，解决了全空间超表面由多层级联结构实现，体积大、成本高、加工困难，而且不利于与现代电磁器件与系统集成这一技术瓶颈。本实施方式提出的全空间编码超表面在波束控制、波束形成和全息成像等领域具有良好应用前景。