一种在透射和反射模式下的多功能多频率复用编码超表面

技术领域

本发明属于电磁超表面技术领域，涉及一种在透射和反射模式下的多功能多频率复用编码超表面。

背景技术

超表面是由二维的超材料单元组成，具有结构薄、制造简易和方便、精准灵活控制电磁波的优点，引起研究学者们的极大兴趣。通过对单元结构引入不连续的场，实现对电磁波的幅度、相位和极化的改变。2014年T.J.Cui等人提出了编码超表面，将具有不同相位响应的单元结构类比于二进制代码，将2π的相位离散为规则的累进状态，可以从1bit扩展到多位bit，进一步简化了超表面器件的设计和制造。虽然编码状态数量有限，但仍可以通过编码实现超表面异常偏转、RCS缩减、涡旋波产生等应用。

随着现代集成和小型化系统、5G/6G通信、无线传感网络的快速发展，对在同一结构上实现多功能的要求越来越高，多功能超表面在微波和光学领域都是研究热点。通过设计单元结构来实现各种灵活的复用，例如极化复用、频率复用来实现阵列对电磁波的多种调控功能。传统的多功能单元结构可以使用多层结构叠加，但电磁波经多层传输后会产生较高损耗。也可以将电控结构置于单元里，从而实现多功能电磁波控制。有源器件通常需要外置电路，这也导致了超表面的复杂性和功耗的产生。

对于多功能超表面，Liang等人提出了一种单层结构的反射型复用编码超表面，可以实现频率和极化复用，在两个极化和频段内分别实现四个功能：波束分束、异常偏转、涡束波束产生和RCS缩减功能。Y.L.Zhou等人提出了一款极化转换的四波段双圆透射超表面，能在四个频段分别将线极化电磁波转换为透射左旋圆极化电磁波和右旋圆极化电磁波。G.Y.Shang等人提出了反射透射集成超表面，在同一频率下，从不同入射方向的反射和透射通道中实现不同的聚焦功能，具备控制电磁波的不对称特性。利用极化、频率、入射方向中的一到两个自由度可以实现不同的电磁波控制功能。如何充分利用超表面实现多个通道的控制，提高超表面的电磁信息利用率仍然是一个挑战。

全空间超表面可以在单一口径上工作在透射和反射模式，因此进一步增加超表面的功能容量，可以同时考虑多波段、极化和全空间单元结构。此外，降低不同频段间的串扰，缩小超表面体积，减少制作成本和便于制造，并通过使用单一结构实现全空间多功能多频率复用波束调控的集成器件，仍然值得探索和研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在透射和反射模式下的多功能多频率复用编码超表面，通过在不同入射波激励模式下，调整单元参数尺寸实现独立的波前响应，最终在全空间实现电磁波控制和三通道多功能的良好性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种在透射和反射模式下的多功能多频率复用编码超表面，该超表面由单元结构通过序列算法排列而成。其中单元结构包括三层金属层以及两层介质层，相邻金属层间通过介质层连接；第一和第三金属层为金属光栅结构，且第一和第三金属层的金属光栅相互垂直正交；第二金属层为复合金属结构，包括斜开环结构和半十字结构，斜开环结构位于单元结构的几何中心，半十字结构与介质层外边缘重合。

可选地，斜开环结构包括两个半圆环结构和一个45°倾斜的矩形金属贴片，两半圆环结构分别位于金属贴片的两端。

可选地，第二金属层中有四个半十字结构，分别位于第二金属层的四角，且半十字结构的横臂与纵臂与介质层外边缘重合。半十字结构尺寸相同，横臂与纵臂长度不相等。

可选地，通过离散调整和优化第二金属层中金属结构的几何参数，能够实现不同频率、极化以及入射方向的相位相应，得到1bit编码单元结构。

可选地，通过序列优化算法得到全空间编码超表面的排布序列，能够在三个不相邻频段实现不同种的波束控制功能：即在22GHz实现透射波的极化转化和聚焦功能、在31GHz实现17°的波束异常偏折以及在32GHz实现14dB的RCS缩减。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明很容易实现单元的高反射系数、高透射系数和相位180°的覆盖，在编码超表面阵列上能达成波束偏转、RCS缩减和聚焦的多功能，解决了不同通道间的串扰问题，能在同一口径上实现独立和高效的电磁波相位响应。

(2)本发明设计的超表面可以为设计多功能超表面提供一种设计方法，通过类似方法可以达到全空间电磁波调控，还可以扩展运用到其他的多功能器件上，例如天线罩、多路复用器等，扩展了电磁信息的通道容量、提高了超表面空间利用率，可以实现高效、小尺寸和紧凑性的多样化功能新器件，在多功能器件、通信、集成系统等领域具有潜在应用前景。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明编码超表面的单元结构示意图；

图2为各金属层结构示意图，(a)为第一金属层的平面结构图，(b)为第二金属层的平面结构图，(c)为第三金属层的平面结构图；

图3为单元结构的反射和透射性能示意图，(a)为在31GHz时y-LP入射波沿+z方向的反射幅值和相位，(b)为在32GHz时x-LP入射波沿-z方向的反射幅值和相位；(c)和(d)为在22GHz时x-LP入射波沿-z方向的透射幅值、相位和极化转化系数和方位角；

图4为第二金属层表面电流仿真结果图，(a)为沿+z方向y-LP入射31GHz处的表面电流强度，(b)为沿-z方向x-LP入射32GHz处的表面电流强度，(c)为沿-z方向x-LP入射22GHz处的表面电流强度；

图5为31GHz时y-LP入射编码超表面性能研究，(a)为超表面二维模式下的散射结果；(b)为超表面三维模式下的散射结果；

图6为32GHz时x-LP入射编码超表面性能研究，(a)为超表面与相同金属参考板二维模式下的散射仿真结果；(b)和(c)为编码超表面与相同金属参考板三维模式下的散射仿真结果；

图7为22GHz时x-LP入射编码超表面时x-o-y切割平面上的电场分布图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了增强超表面利用电磁信息的能力，本发明结合频段、极化和入射方向的多自由度设计多功能多频率复用全空间超表面，通过在不同入射波激励模式下，调整单元参数尺寸实现独立的波前响应，使超表面具有电磁波的多通道控制，能有效在全空间实现电磁波控制和三通道多功能的良好性能：在x极化沿-z方向入射波的激励下，可以在22GHz实现透射波的极化转化和聚焦功能，同样，波束异常偏折、RCS缩减分别在31GHz沿+z方向入射的y极化波和32GHz沿-z方向入射的x极化波的激励下实现。

如图1和图2所示，为编码超表面的单元结构示意图，该单元结构为类法布里-珀罗腔模型的多层结构，包括三层金属层和两层介质层，相邻的金属层间通过介质层连接。其中，金属层的材质为铜，厚度为t＝0.035mm；介质板设置为介电常数3.5、损耗角正切0.001，介质板厚度为1mm。金属层和介质层的几何中心均为同轴设置。

第一金属层和第三金属层均为金属光栅结构，两金属层的光栅结构尺寸一致，但位置为垂直正交。金属光栅结构为两组对称矩形金属条，外侧的金属条与介质层的外边缘重合，如图2(a)和(c)所示，其中d

第二金属层中的复合金属结构包括一斜开环结构和四个半十字结构，斜开环结构中的半圆环，其内、外半径分别为r

如图3(a)和(b)所示为编码超表面的单元结构在y和x极化波入射下的共极化反射幅值和相位。对“0-0-U”、“0-1-U”、“1-0-U”和“1-1-U”四个编码单元，横杠间隔的第一、二位数字分别表示单元在y/x-LP入射下的编码序列。由图可知，在工作频率31GHz和32GHz范围内，单元“0”和“1”实现了180°的相位差，反射幅值大于0.9，其余参数改变影响较小。

如图3(c)和(d)所示，采用旋转单元结构实现“M-N-0”和“M-N-1”的1bit编码两个单元。单元结构能够在不同频段、极化和入射方向实现电磁波的180°相位响应覆盖、高反射或高透射响应。

如图4(a)和(b)所示，第二金属层的半十字结构的纵臂和横臂在31GHz和32GHz时对不同入射方向和极化的反射电磁波具有强电流产生，如图4(c)所示，斜开环结构在22GHz时对透射波产生强电流感应。表明半十字结构参数的改变只与平行于该结构的入射波发生共振，同时斜开环结构共振独立，在不同频段的耦合可以忽略不计且具有良好的隔离性。

本发明通过序列算法在超表面单一口径上设计了三组独立且不同的编码序列，将32×32个单元构成超表面阵列，总尺寸为128mm×128mm。

如图5(a)、(b)所示，编码超表面在31GHz的y-LP沿+z轴垂直入射时，反射波的主瓣明显偏离z轴17°，通过超表面的波不再沿法线方向传播，即反射波发生了离轴偏转。

如图6(a)～(c)所示，超表面在32GHz的x-LP电磁波沿-z方向入射时，电磁波经阵列反射后在上半空间形成无数个随机方向的电磁波波束。反射波束为漫散射波束，由此产生的后向散射强度大大降低，有效实现RCS的缩减功能。

如图7所示，编码超表面在x-LP波入射到超表面时，交叉极化的透射波聚焦在22GHz的目标聚焦平面的“I”字线上有强度较强的电场斑，电场分布均匀，编码超表面能实现明显的聚焦功能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。