超薄柔性频率编码超表面及其设计方法

技术领域

本发明涉及人工电磁超材料领域。

背景技术

电磁超材料(Metamaterials)就是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期性或非周期性排列，使其具有天然材料所不具备的超常电磁特性的人工复合结构或人工复合材料。国内学者将metamaterials翻译为新型人工电磁材料或特异介质。超材料可以实现对电磁波的灵活调控，其电磁特性由单元材料、单元结构和阵列排布方式共同决定。

电磁超表面是在二维形式下的超材料，通常是由周期或非周期的二维亚波长结构单元阵列组成，由于其平面化结构的简易性，超表面的设计成本和制造难度也相对较低，并且在加工和应用方面有着独特的优势。超表面通过在界面上设计人工结构，形成相位梯度，构成人工波矢，可以实现对电磁波灵活的调控，大大缩减了器件的尺寸，在完美吸波器、高方向性天线、超薄电磁隐身衣、下一代无线通信等方面具有极大的应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了适应目前对电磁超表面的需求，从而提出一种超薄柔性频率编码超表面及其设计方法

本发明通过以下技术方案实现：

一种超薄柔性频率编码超表面，它包括：N个反射型可调超单元结构；N为正整数；所述N个反射型可调超单元结构均匀布设在xy二维平面内且按周期排列形成一体件，即：超薄柔性频率编码超表面；每个所述反射型可调超单元结构均包括中间介质基板层、正交十字结构金属图案贴片层、和金属反射层；所述金属图案贴片层固定在中间介质基板层的上表面；所述金属反射层固定在中间介质基板层的下表面；

所述金属图案贴片层的图案为正交十字图案构成的对称图形；

所述金属图案贴片层的图案用于反射电磁波的幅度和调制其所在所述反射型可调超单元结构的相位；

所述超薄柔性频率编码超表面在工作频段内具有不同的相位-频率敏感度，且其相位响应曲线随着频率的变化趋于线性。

基于超薄柔性频率编码超表面的设计方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一：确定波束调控器件所需的调制功能，并根据所述调制功能确定每个反射型可调超单元结构所需的相位；

步骤二：通过调整反射型可调超单元的几何参数，以实现对应反射型可调超单元结构的相位调制，保证其反射型可调超单元的相位响应曲线在工作频段内具有不同的相位-频率敏感度，将具有低相位-频率敏感度的反射型可调超单元编码为：0；将具有高相位-频率敏感度的反射型可调超单元编码为：1；

步骤三：给定1比特和2比特编码序列，求解辐射场；

步骤四：通过改变入射电磁波的频率，获得超薄柔性频率编码超表面，完成一次基于超薄柔性频率编码超表面的设计。

步骤三中，求解辐射场是根据公式：

实现的；

式中：θ是辐射场的俯仰角，

有益效果：

1、本发明中，电磁超表面由优化后的反射型频率编码超单元结构组成，可实现波束多样调控的功能，具有良好的工程应用前景。

2.本发明具有结构简单、易于设计、超薄、高对称性、无源、低成本等特性，具有巨大应用潜力，推动了电磁超表面的发展。

附图说明

图1是本发明一个实施例的频率编码超表面基本单元结构示意图；

图2是本发明一个实施例的四种频率编码超表面子单元结构示意图；

图3是本发明一个实施例的四种不同结构尺寸的频率编码超表面单元及其对应的幅度和相位响应。图3(a)为四种频率编码超表面子单元在17至20GHz频段内反射幅度的仿真结果。图3(b)为四种频率编码超表面单元在17至20GHz频段内反射相位的仿真结果；

图4(a)为1比特频率编码超表面示意图，其对应的编码排布为：‘0’，‘1’，‘0’，‘1’…，图4(b)为频率编码超表面仿真模型图；

图5是本发明一个实施例的1比特频率编码超表面及其对应的远场方向图。图5(a-d)为由编码排布为‘0’，‘1’，‘0’，‘1’…的1比特频率编码超表面在17，18，19和20GHz时所生成的远场方向图；

图6(a)为1比特频率编码超表面示意图，其对应的编码排布为：‘0’，‘1’，‘0’，‘1’…/‘1’，‘0’，‘1’，‘0’…，图6(b)为频率编码超表面仿真模型图；

图7是本发明一个实施例的1比特频率编码超表面及其远场方向图。图7(a-d)由编码排布为：‘0’，‘1’，‘0’，‘1’…/‘1’，‘0’，‘1’，‘0’…的1比特频率编码超表面在17，18，19和20GHz时所生成的远场方向图；

图8(a)为2比特频率编码超表面，其对应的编码排布为：‘00’，‘01’，‘10’，‘11’，‘00’，‘01’，‘10’，‘11’…，图8(b)为2比特频率编码超表面仿真模型图；

图9为2比特频率编码超表面及其远场方向图。图9(a-d)为编码排布为：‘00-00’，‘00-01’，‘00-10’，‘00-11’，‘00-00’，‘00-01’，‘00-10’，‘00-11’…的2比特频率编码超表面在6、7.5、9和10.5GHz时生成的远场方向图。

具体实施方式

具体实施方式一、下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于超薄柔性频率编码超表面的波束调控器件。

如图1所示，所述超表面为3层结构：包括中间介质基板层、正交十字结构金属图案贴片层、和金属反射层；所述中间介质基板层为聚酰亚胺，介电常数为3.2，正切损耗为0.03，厚度为1mm。背面采用完整的铜板，正面覆盖铝箔并刻蚀图案，正反面金属厚度均为0.035mm。反射型可调超单元结构为正方形，其几何参数分别为：正方形边长p，十字形长度a，十字形开缝长度b，十字形开缝宽度w，基板厚度d，圆弧半径r。

进一步地，如图2所示，通过仿真优化，选取最优的结构参数，频率编码超表面编码单元1的参数为圆弧半径r

介电常数为3.2，正切损耗为0.03，厚度为1mm。背面采用完整的铜板，正面覆盖铝箔并刻蚀图案，正反面金属层厚度均为0.035mm。

工作原理：本发明设计采用谐振相位调制原理来控制单元的相位特性，基于这一原理，单元的不同几何参数会导致不同的谐振特性，从而导致不同的相位色散(相位灵敏度)。设计的四个编码单元中的几何参数不同，因此具有不同的相位特性，这些相位特性是实现频率编码超表面的关键。为了说明这背后的物理机制，我们使用简化的泰勒级数来表示数字单元随频率的相位响应，如下所示

其中：f

根据传统阵列天线的散射理论，编码超表面在法线入射下的远场散射可表示为：

其中θ＝arcsin(λ/Γ)，λ是自由空间波长，Γ表示编码序列周期长度，根据广义斯涅耳定律

和超表面散射的远场函数,反射波束的方位角

使用1比特频率编码超表面来说明多波束频率控制的原理和实现。这里，使用了两个数字单元编码单元1和编码单元3，它们在17至20GHz频带内的响应如图2所示。它们具有相似的初始相位值，初始频率为17GHz。

编码单元1和编码单元3在17GHz的初始频率处被编码为“0”。另一方面，它们的相位变化程度在整个工作频段内是不同的，相位曲线近似线性。在这种情况下，我们通过以下公式确定：

f

如图3(a)-(b)所示，是通过商用软件CST Microwave Studio仿真得到的这四种频率编码超表面单元所对应的幅度和相位响应曲线，不同谐振强度的超表面单元在谐振频率附近具有不同的相位-频率敏感度，即超表面单元的电磁谐振越强，其对应的相位响应函数在谐振频点附近则具有更为明显的变化趋势，超表面单元的相位-频率敏感度也越高，可以看到这组频率编码超表面单元在17至20GHz内具有不同的相位-频率敏感度，且它们的相位响应曲线随着频率的变化近似线性。

进一步地，如图4所示，图4(a)为1比特频率编码超表面示意图，其对应的编码排布为：‘0’，‘1’，‘0’，‘1’…，图4(b)为频率编码超表面仿真模型图，本发明在设计时采用了超级子单元的排布方式，即将4×4个的相同的频率编码超表面单元组成了一个超级子单元。由于频率编码超表面单元结构F1具有低相位-频率敏感度，因此其对应的频率编码为‘0’；相比之下，频率编码超表面单元结构F3具有较高的相位-频率敏感度，因此其对应的频率编码为‘1’，这两种频率编码超表面子单元在初始频率处具有几乎相同的相位响应。本发明通过设计编码图案在空间的排布以设计频率编码超表面，从而实现指定的电磁功能。

图5展示了根据图4的编码序列仿真得到的不同频率处编码超表面所对应的远场向图。如图5(a)所示，在初始频率处电磁能量被频率编码超表面垂直反射，其远场方对应着一个沿着z轴方向出射的单波束。随着入射电磁波频率的增加，两种频率编码超表面单元之间的相位差近似线性变化。当入射电磁波的频率小于中心频率时，频率编码超表面的相位不均匀程度会随频率的增加而逐渐增大，此时频率编码超表面将会同时产生一个垂直出射的单波束以及两个对称偏折的波束。如图5(b)和(c)所示，当入射电磁波的频率超出中心频率后，频率编码超表面的相位不均匀程度将会逐渐减小，垂直出射的波束也逐渐转换为两个对称偏折的波束。如图5(d)所示，当入射电磁波的频率达到截止频率处时，沿z轴方向垂直出射的单波束几乎完全消失，电磁能量几乎全部转化为两个对称偏折波束。

图6(a)为1比特频率编码超表面示意图，其对应的编码排布为：‘0’，‘1’，‘0’，‘1’…/‘1’，‘0’，‘1’，‘0’…，图6(b)为频率编码超表面仿真模型图。

图7展示了根据图6的编码序列仿真得到的不同频率处编码超表面所对应的远场向图。如图7(a)所示，在初始频率处电磁能量被频率编码超表面垂直反射，其远场方对应着一个沿着z轴方向出射的单波束。如图7(b)和(c)所示，当入射电随着入射电磁波频率的增加，初始频率处指向z轴的主波束逐渐转化为四个对称出射的异常反射波束，如图7(d)所示，当入射电磁波的频率继续增加至截止频率后，垂直出射的单波束能量接近完全消失，大部分能量转化为沿对称方位角出射的四波束。

图8(a)为2比特频率编码超表面，其对应的编码排布为：‘00’，‘01’，‘10’，‘11’，‘00’，‘01’，‘10’，‘11’…，图8(b)为2比特频率编码超表面仿真模型图。由于超表面子单元种类的增加，2比特频率编码超表面有着更高的设计自由度，可以实现对电磁波更加灵活的调控。

图9展示了根据图8的编码序列仿真得到的不同频率处编码超表面所对应的远场向图。如图9所示。如图9(a)所示，对于第一种编码图案，可以看到电磁能量在初始频率处被垂直反射。如图9(b)和(c)所示，随着入射电磁波频率的增加，原来垂直出射主波束的能量逐渐减小，而沿z轴右侧偏折波束能量逐渐增大。如图9(d)所示，当入射电磁波的频率达到截止频率时，频率编码超表面表面的相位均匀分布且具有一定的梯度，从而导致原始垂直出射的单波束几乎完全消失，z轴右侧的偏折波束则演变为指向某一角度新的主波束。当入射电磁波频率增加至截止频率时，频率编码超表面单元之间的相位差变为其对应的表面相位分布是由0°，90°，180°，270°，0°，90°，180°，270°…构成的均匀梯度。

本具体实施方式设计的频率编码超表面由优化后的反射型频率编码超单元结构组成，单元之间具有不同的相位-频率敏感度，并利用其单元相位-频率敏感度的差异设计编码序列，从而实现对电磁波的连续调控。通过1比特编码模式可以实现二分束器和四分束器，通过2比特编码模式可以实现单波束在不同方向的调控。

本具体实施方式具有结构简单、易于设计、超薄、柔性、高对称性、无源、低成本等特性，在无线通信、雷达、成像、信号处理等领域具有巨大应用潜力和良好的工程应用前景

具体实施方式二、基于超薄柔性频率编码超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定波束调控器件所需的调制功能，并根据所述调制功能确定每个反射型可调超单元结构所需的相位；

步骤二：通过调整反射型可调超单元的几何参数，以实现对应反射型可调超单元结构的相位调制，保证其反射型可调超单元的相位响应曲线在工作频段内具有不同的相位-频率敏感度，将具有低相位-频率敏感度的反射型可调超单元编码为：0；将具有高相位-频率敏感度的反射型可调超单元编码为：1；

步骤三：给定1比特和2比特编码序列，求解辐射场；

步骤四：通过改变入射电磁波的频率，获得超薄柔性频率编码超表面，完成一次基于超薄柔性频率编码超表面的设计。

步骤三中，求解辐射场是根据公式：

实现的；式中：各参量的定义为：θ是俯仰角，

在本说明书的描述中，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。