一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面

技术领域

本发明是一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，属于天线技术领域和新型人工电磁超材料领域。

背景技术

电磁超材料(Metamaterial)是在三维(Three-dimensional)空间内，由许多亚波长尺寸的人工单元，周期或非周期排列构成，人工单元结构参数的改变或单元排列方式的重新组合可以任意控制其等效的介电常数和磁导率，因此，它具有独特的电磁特性，能够产生许多奇特的物理现象，促进了许多电磁器件的创造，在移动通信、雷达探测、航空航天等领域有巨大的发展空间。

电磁超材料从三维(3D)发展到二维(2D)平面形式——超表面(Metasurface)，它是特殊电磁特性的亚波长人工单元结构，在二维空间上周期或非周期延拓而形成的平面阵列。它通过在超表面媒质交界面上引入不同的突变响应，来实现对电磁波特性(幅度、相位、极化)的任意操控，从而为电磁波领域的各种奇异现象提供了前所未有的可能性。

在无线和光子通信中，通过薄平面器件实现电磁波相位和振幅的独立、任意控制是非常重要的。在两个任意正交偏振态下，集成在一块平板上的独立波前控制是现代科学技术中的重要研究方向，因为它可以满足平面电磁波和光学器件日益增长的高速和大容量需求。然而，目前报道的大多数超表面仅实现了对线极化电磁波相位的独立控制，而对圆极化波的研究较少。

对于圆极化波的控制，一般采用对左旋圆极化波(LCP)和右旋圆极化波(RCP)具有不同光学响应的手性超表面来实现，但是手性结构会导致LCP和RCP反射相位自旋锁定，且存在窄带特性。

针对上述问题，本发明提出一种基于传播相位和几何相位的原理，实现能在微波宽频带内，任意控制圆极化波波前的自旋解耦编码超表面。对于本发明提出的超表面，首先，通过集成传播相位和几何相位来设计所需的I型单元结构，其次，利用单元间的相对相位差来构建针对LCP和RCP的2位单元编码元素库，接着，基于相位梯度理论，通过在2位单元编码元素库中选定所需相位差的单元，设计独特的编码图案，构建对LCP和RCP具有不同的响应的超表面。本发明对于实现圆极化波波前的独立、任意控制和拓展工作带宽这两方面都具有非常重要的研究价值和意义。

发明内容

技术问题：本发明提出一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，可以在不反转自旋状态的前提下，实现对正交圆极化波的自旋解耦功能。在微波宽频带(12-18GHz)内，当正交圆极化波入射时，超表面可以对入射电磁波进行波前控制，即有效地反射指定的圆极化波(CP)，并吸收其正交极化波。本发明具有超薄单层介质结构，无需打孔设计，易于加工，性能较好，可有效应用于设计微波段波束偏转、自旋解耦等器件，也可用于隐身、全息成像等方面。

技术方案：本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，采用的具体技术方案如下：

提出的宽带自旋解耦编码超表面由16×16个基本单元周期排列构成，每个基本单元分为三层，包括顶层I型金属贴片、中层介质基片、底层全铜接地板，其中顶层I型金属贴片的圆弧角β控制弧长，方位角α控制贴片旋转，从而实现对反射波的相位调控。

所述的基本单元为正方形结构，边长为p。

所述的顶层I型金属贴片是由一对随着中心角β改变而演化的弧长，和一个长度为l，宽度为w1的矩形半波片构成，其中弧长的内径为r，结构的线宽为w，覆盖铜的厚度为t，电导率为δ＝5.86×10

所述的中间层介质基片为正方形结构，由边长为p，厚度为h的F4B(聚四氟乙烯)构成，其相对介电常数为ε＝2.65，损耗角正切为tanδ＝0.001；

所述的底层全铜接地平面为正方形结构，边长为p，厚度为t，电导率为δ＝5.86×10

进一步地，所述的金属层的相位调控设计标准为：

式中：

进一步地，所述的顶层I型金属贴片，通过改变传播相位β和几何相位α来构建针对LCP和RCP的2位单元编码元素库，其中单元以归一化的数字代码来代表，2bit中“00”(0°)、“01”(90°)、“10”(180°)和“11”(270°)，以“CL/CR”来命名，CL和CR分别代表LCP和RCP的数字状态。

进一步地，所述的顶层I型金属贴片，依据相位梯度编码，在2位单元编码元素库中选取所需单元，设计N×N单元周期排列的独特的编码图案，实现对LCP和RCP具有不同相位响应的超表面。

进一步地，所述的超表面能够在不反转自旋状态的前提下，实现对LCP的异常反射和RCP的随机散射。

有益效果：

1)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其基本单元在保证PB相位的前提下，反射振幅接近于1，具有很好的反射效率。

2)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，仅需要控制单元结构的传播相位和几何相位，就可以实现对圆极化波波前的独立、任意控制，方案简单、准确度高、稳定性好。

3)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，具有宽带效应，能实现在微波宽频带的圆极化波自旋解耦功能。

4)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，虽然由非手性单元构成，但也具有手性特性，具有完全相反的电磁响应。其镜像超表面的结果高度相似，说明由非手性自旋解耦元件构成的超表面具有破坏n倍(n>2)旋转对称性和镜像对称性的特性。

5)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，具有超薄单层介质结构，无需在介质板内打孔设计，易于加工，可有效应用于设计微波段自旋解耦、波束偏转等器件，也可应用于隐身、全息成像等方面。

附图说明

图1为所设计的自旋解耦编码超表面示意图。

图2为基本单元的结构示意图。

图3a为在x和y极化波入射下单元反射相位随β变化的仿真结果，图3b为在x和y极化波入射下单元反射振幅随β变化的仿真结果。

图4a为在圆极化波入射下单元反射相位随β变化的仿真结果，图4b为在圆极化波入射下单元反射振幅随β变化的仿真结果。

图5a为在圆极化波入射下单元反射相位随α变化的仿真结果，图5b为在圆极化波入射下单元反射振幅随α变化的仿真结果。

图6为通过改变传播相位β和几何相位α来构建的2bit单元编码元素库。

图7a为超表面在15GHz下对LCP异常反射的三维远场辐射图，图7b为超表面在15GHz下对RCP随机散射的三维远场辐射图。

图8a为超表面在15GHz下对LCP异常反射的二维远场辐射图，图8b为超表面在15GHz下对RCP随机散射的二维远场辐射图。

图9a为超表面在不同频率下对LCP异常反射的一维曲线图，图9b为超表面在不同频率下对RCP随机的一维曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面做进一步的说明。需要指出的是，下面仅以一种优选的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于下述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

图1为本发明所设计的自旋解耦编码超表面结构示意图，由16×16个基本单元周期排列构成，每个基本单元分为三层，包括顶层I型金属贴片、中层介质基片、底层全铜接地板，其中顶层I型金属贴片的圆弧角β控制弧长，方位角α控制贴片旋转，从而实现对反射波的相位调控。

图2为本发明所设计的自旋解耦编码超表面单元结构示意图。

作为本发明的优选实施例，所述的单元为正方形结构，边长为p＝5.87mm。

作为本发明的优选实施例，所述的顶层I型金属贴片是由一对随着中心角β(0°～90°)改变而演化的弧长，和一个长度为l＝4.69mm，宽度为w1＝0.43mm的矩形半波片构成，其中弧长的内径为r＝2.36mm，结构的线宽为w＝0.43mm，覆盖铜的厚度为t＝0.018mm，电导率为δ＝5.86×10

作为本发明的优选实施例，所述的中间层介质基片为正方形结构，由边长为p＝5.87mm，厚度为h＝2.5mm的F4B(聚四氟乙烯)构成，其相对介电常数为ε＝2.65，损耗角正切为tanδ＝0.001；

作为本发明的优选实施例，所述的底层全铜接地平面为正方形结构，边长为p＝5.87mm，厚度为t＝0.018mm，电导率为δ＝5.86×10

作为本发明的优选实施例，所述的金属层的相位调控设计标准为：

式中：

作为本发明的优选实施例，所述的顶层I型金属贴片，通过改变传播相位β和几何相位α来构建针对LCP和RCP的2位单元编码元素库，其中单元以归一化的数字代码来代表，2bit中“00”(0°)、“01”(90°)、“10”(180°)和“11”(270°)，以“CL/CR”来命名，CL和CR分别代表LCP和RCP的数字状态。

作为本发明的优选实施例，所述的顶层I型金属贴片，依据相位梯度编码，在2位单元编码元素库中选取所需单元，设计N×α单元周期排列的独特的编码图案，实现对LCP和RCP具有不同相位响应的超表面。

作为本发明的优选实施例，所述的超表面能够在不反转自旋状态的前提下，实现对LCP的异常反射和RCP的随机散射。

下面以一个具体实施例来进一步阐述本发明。

本实施例为一种工作频段为12-18GHz的圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面。在基于传播相位和几何相位集成控制I型单元结构的基础上，设计三层结构的单元，包括：顶层I型金属铜贴片、中层F4B介质基片、底层全铜接地板。依据相位梯度理论，周期排列单元构成自旋解耦编码超表面，能够在微波宽频段(12-18GHz)内，当正交圆极化波入射时，实现对圆极化波的自旋解耦功能，即有效地反射指定的CP波，并吸收其正交极化波。

首先，依据金属层的相位调控设计标准，设计基于传播相位β和几何相位α的I型单元结构。用CST MWS电磁仿真软件仿真单元，在微波宽频带(12-18GHz)上，分别得到反射相位和反射振幅与传播相位β和几何相位α的变化关系。

图3为在x和y极化波入射下，单元反射相位和反射振幅随β变化的仿真结果。针对相位的分析，发现在12-18GHz频段内，对于任何的传播相位β，x和y极化反射波之间的相位差均保持在180°左右，如图3a中所展示的传播相位β＝25°、45°、62°和77°的两条曲线，因此，说明单元结构满足PB相位的要求，保证出射波的自旋状态不发生改变。针对振幅的分析，如图3b所示，发现在12-18GHz频段内，对于任何的传播相位β，x和y极化反射振幅均保持在0.99以上，说明单元结构在线极化波入射的情况下，反射效率高，反射性能好，具有宽带效应。

图4为在圆极化波入射下，单元反射相位和反射振幅随β变化的仿真结果。针对相位的分析，如图4a所示，传播相位β变化，左右旋圆极化波的反射相位相等，均随着频率的升高而减小；当频率固定时，随着传播相位β的增大，反射相位近似线性减小；其中设计的四个单元结构(β＝25°、45°、62°和77°)刚好控制在同一频率处(12-18GHz)，反射相位差约为45°。针对振幅的分析，如图4b所示，传播相位β变化，左右旋圆极化波的反射振幅相等，且在12-18GHz频段内，均保持在0.92以上，说明单元结构在圆极化波入射的情况下，反射效率高，反射性能好，具有宽带效应。

图5为在圆极化波入射下，单元反射相位和反射振幅随α变化的仿真结果。针对相位的分析，如图5a所示，随着几何相位α以22.5°的步长增加，LCP以45°的步长减小，而RCP以45°的步长增大，两者形成对称，印证了几何相位导致的自旋锁定特性。针对振幅的分析，如图5b所示，发现反射振幅曲线以α＝90°为对称轴，左右对称，其中45°和135°处反射振幅相等且最大，22.5°、67.5°、112.5°、157.5°其次，0°、90°和180°最小，但均保持在0.93以上。说明反射效率高，反射性能好，且几何相位α变化对反射效率影响很小，同时也说明几何相位α变化导致单元结构对称、镜像，因此得到的反射振幅相等。

其次，基于传播相位和几何相位的理论，选取16个基本单元来构建针对LCP和RCP的2位单元编码元素库，如图6所示，通过在库内选取具有特定相位差的单元，设计独特的编码图案，构建对LCP和RCP具有不同的响应的超表面，其中单元以归一化的数字代码来代表，2bit中“00”(0°)、“01”(90°)、“10”(180°)和“11”(270°)，以“CL/CR”来命名，CL和CR分别代表LCP和RCP的数字状态。

接着，基于相位梯度理论，将LCP的梯度相位码和RCP的随机相位码编码为单个超表面，如图1所示，其中梯度相位编码模式包括沿x方向的16个相位周期，编码序列为“00，01，10，11”。随机相位编码模式为棋盘格，编码序列为“00，10”，构造LCP相位梯度间隔为90°，而RCP相位梯度间隔为180°的超表面，其中由4×4个单元构成一个超级子单元，再由4×4个超级子单元构成自旋解耦超表面。因此，使用“00/00”、“01/00”、“10/00”、“11/00”、“00/10”、“01/10”、“10/10”、“11/10”，这8个单元来构成超表面，即超表面由16×16个单元组成。

最后，在CST MWS电磁仿真软件中对上述超表面进行仿真分析。

图7为超表面在15GHz下对LCP异常反射和RCP随机散射的三维远场辐射图，发现LCP被异常反射，RCP被随机散射，在Total ACS和Total RCS相同的情况下，如表1所示，其RCSmax(Abs)和RCSmax(Left)分别降低5.35dB和5.38dB。

表1超表面在15GHz下的RCSmax值

图8为超表面在15GHz下对LCP异常反射和RCP随机散射的二维远场辐射图，发现异常反射的LCP，其反射中心发生偏移，在(-0.2，0)处，反射平面只沿v轴对称，而随机散射的RCP，其反射中心呈现为四个大中心(-0.15，0.4)、(-0.15，-0.4)、(0.15，-0.4)、(0.15，0.4)和四个小中心(-0.15，0.1)、(-0.15，-0.1)、(0.15，-0.1)、(0.15，0.1)，反射平面沿u轴和v轴几乎均对称，说明随机散射是通过将能量分为多个方向反射从而减低其RCS的。

图9为超表面在不同频率下对LCP异常反射和RCP随机散射的一维曲线图，发现在12-18GHz内，LCP被高效异常反射，其对应频率的反射角如表2所示，与广义斯涅尔定律预测一致，且随着频率的升高，异常反射的相位角度减小，逐渐向0°靠拢；而RCP被随机散射，其对应频率的RCS如表3所示，均小于-13dB，受频率影响较小，说明超表面能够在宽频段内有效吸收其正交极化波，在隐身领域有潜在应用价值。

表2超表面在不同频率下的异常反射角度

表3超表面在不同频率下的XOZ面的RCS值

本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，在基于传播相位和几何相位的原理上，能够实现在宽频带(12-18GHz)内，任意控制圆极化波波前。所述自旋解耦编码超表面单元包括三层结构：I型金属贴片、介质基板和全铜接地平面。首先，通过改变I型单元结构的传播相位和几何相位来实现反射相位的控制。接着，利用单元间的相对相位差来构建针对LCP和RCP的2位单元编码元素库。最后，基于相位梯度理论，通过选取2位单元编码元素库中具有特定相位差的单元，设计独特的编码图案，构建对LCP和RCP具有不同的响应的超表面。本发明具有超薄单层介质结构，无需在介质板内打孔设计，易于加工，准确度高、稳定性好，可有效应用于设计微波段自旋解耦、波束偏转等器件，也可用于隐身、全息成像等方面。