一种超表面、设计方法及增强超表面电磁响应角度稳定性的方法

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料技术，特别涉及一种超表面、设计方法及增强超表面电磁响应角度稳定性的方法。

背景技术

超表面是智能控制电磁波的重要平台，已成为开发多功能电磁波调控器件的关键技术，在无线通信、智能传感等领域中有重要运用。超表面由在二维平面内阵列排布的亚波长尺寸的电磁单元组成。电磁单元的电磁响应特性由其结构设计和可控器件状态共同决定。可通过外部控制信号精准调控超表面中每一个电磁单元的电磁响应状态，在二维阵面上实现特定的电磁响应分布，从而控制超表面实现波束扫描、涡旋波产生、近场成像等各种特殊的电磁功能。

然而，在复杂运用场景中，入射电磁波的方向是任意的，这就要求超表面的电磁响应在不同入射角上保持稳定。但是现有超表面结构的电磁响应角度稳定性仅依赖于其平面金属图案的设计，或者仅能提高某种极化电磁响应的角度稳定性，限制了其设计的自由度和电磁响应的角度稳定性。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是提供一种超表面，通过在电磁单元周围设置金属壁结构能有效解决超表面电磁响应在不同空间角度上差异很大的问题，可以提高超表面的功能指标和使用范围。

本发明的另一个目的是提供一种超表面的设计方法及增强超表面电磁响应角度稳定性的方法。

技术方案：本发明的一种超表面，包括：阵列排布的电磁响应可调控的若干电磁单元，所述电磁单元为多层平面结构，包括至少一个金属层、至少一个介质层以及设置在多层平面结构周围边界上的金属壁，所述金属壁设置在所述多层平面结构内，在厚度方向上横跨至少一个所述介质层，金属壁与所述至少一个金属层相连；金属壁结构使得入射电磁波仅在各个电磁单元内部产生谐振，以提高超表面对单个极化或者多个极化电磁响应角度稳定性，同时提高超表面俯仰角或方位角空间方向上的电磁响应角度稳定性。

可选的，金属壁上的导电层为完整金属面结构、网状结构或栅状结构，以及前述结构的任意组合。

可选的，金属壁的材料包括但不限于导电胶、铝、铁、锡、铜、银或金及具有前述材质的任意组合。

可选的，金属壁通过印制电路板工艺进行加工，或使用机械加工。

可选的，所述印制电路板工艺包括但不限于钻孔、铣槽、离子注入、沉铜、电镀或树脂塞孔，以及前述工艺的任意组合。

可选的，金属壁使用印制电路板工艺中的金属化孔或金属化槽结构。

可选的，电磁单元由上至下依次包括：第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三介质层和第三金属层，在第一介质层的周围设置金属壁，金属壁与第一金属层和第二金属层相连；第一金属层包括中间的金属贴片以及四周成90度旋转对称的四个金属贴片，且四周四个金属贴片分别通过变容二极管与中间的金属贴片相连接；第二金属层为射频地，与超表面中其他电磁单元的第二金属层相连，形成一块完整的金属反射层，且第二金属层同时作为直流控制信号的地，电磁单元中心设有第一金属孔，电磁单元的边角处设有若干第二金属孔，变容二极管的控制电压为第一金属层内中间金属贴片与周围四个金属贴片之间的电压，该电压由位于第三金属层中的直流馈线通过第一金属孔、第二金属孔和金属壁加载到第一金属层中对应的金属贴片上。

可选的，电磁单元由上至下依次包括：第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三介质层和第三金属层，在第一介质层的周围设置金属壁，金属壁与第一金属层和第二金属层相连，第一金属层包括中间的两个金属贴片以及围绕中间两个金属贴片周围的金属边框，中间两个金属贴片之间通过变容二极管相连接；第二金属层为射频地，与超表面中其他电磁单元的第二金属层相连，形成一块完整的金属反射层；变容二极管的控制电压为第一金属层内中间两个金属贴片之间的电压，该电压由位于第三金属层中的直流馈线通过第一金属孔和第二金属孔加载到第一金属层中对应的金属贴片上。

基于相同的发明构思，本发明的一种超表面的设计方法，包括以下步骤：

根据超表面的功能需求设计电磁单元的基本结构和形状，电磁单元为多层平面结构，包含至少一个金属层和一个介质层；

在所述电磁单元的边界上增加金属壁结构，所述金属壁设置在所述多层平面结构内，在厚度方向上横跨至少一个所述介质层；

完善所述电磁单元结构设计，使所述超表面能够被生产制造，并根据仿真结果优化所述电磁单元的几何参数和材质属性，实现所述功能需求的指标；

将所述电磁单元按照一定排布方式组成超表面，完善所述超表面整体设计。

基于相同的发明构思，本发明的一种增强超表面电磁响应角度稳定性的方法，包括：在按照需求设计的电磁单元基本结构的基础上，在每个电磁单元的边界上增加金属壁结构，使得入射电磁波仅在各个电磁单元内部产生谐振，有效提高电磁单元和超表面的电磁响应的角度稳定性。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术效果为：

(1)该超表面通过增加金属壁结构提高超表面电磁响应在俯仰角和方位角方向上的角度稳定性，提高超表面的性能指标，减弱角度色散导致电磁响应的变化，使得超表面所设计的功能在更大角度范围内保持一致。

(2)能够提高超表面对单个极化或者多个极化电磁响应角度稳定性，增强超表面在使用场景中的鲁棒性，扩展超表面的使用场景。

(3)使用印制电路板工艺或机械加工即可生产加工，可简化加工步骤，可降低生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种全极化大角度稳定电磁单元的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的全极化大角度稳定电磁单元中印制电路板的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的电磁单元在变容二极管不同偏置状态下的反射幅度和反射相位频谱特性的仿真结果图；

图4为本发明实施例1提供的电磁单元在不同频率电磁波入射下，电磁单元的反射相位随变容二极管反向偏置电压变化的测量结果图；

图5为本发明实施例1提供的电磁单元反射相位状态随入射电磁波入射角度变化的仿真结果图；

图6为本发明实施例1提供的电磁单元阵列排布组成的大角度稳定超表面实物图；

图7为本发明实施例1提供的大角度稳定超表面远场方向图在电磁暗室内的测试环境图；

图8为本发明实施例1提供的大角度稳定超表面单波束扫描功能归一化方向图测试结果图；

图9为本发明实施例2提供的一种六边形单极化大角度稳定电磁单元的结构示意图；

图10为本发明实施例2提供的六边形单极化大角度稳定电磁单元中印制电路板的结构示意图；

图11为本发明实施例2提供的电磁单元在变容二极管不同偏置状态下的反射幅度和反射相位频谱特性的仿真结果图；

图12为本发明实施例2提供的电磁单元反射相位状态随入射电磁波入射角度变化的仿真结果图；

图13为本发明实施例2提供的电磁单元阵列排布组成的大角度稳定超表面示意图；

图14为本发明实施例2提供的大角度稳定超表面单波束扫描功能归一化方向图仿真结果图；

图15为超表面的设计方法流程图；

图中：1、实施例1提供的电磁单元，11、实施例1电磁单元的印制电路板，12、实施例1电磁单元中的变容二极管，2、实施例1电磁单元的印制电路板详细结构，21、实施例1电磁单元的第一金属层，22、实施例1电磁单元的第二金属层，23、实施例1电磁单元的第三金属层，24、实施例1电磁单元的金属壁，25、实施例1电磁单元的第一金属孔，26、实施例1电磁单元的第二金属孔，27、实施例1电磁单元的第一介质层，28、实施例1电磁单元的第二介质层，29、实施例1电磁单元的第三介质层，3、实施例2提供的电磁单元，31、实施例2电磁单元的印制电路板，32、实施例2电磁单元中的变容二极管，4、实施例2电磁单元的印制电路板详细结构，41、实施例2电磁单元的第一金属层，42、实施例2电磁单元的第二金属层，43、实施例2电磁单元的第三金属层，44、实施例2电磁单元的金属壁，45、实施例2电磁单元的第一金属孔，46、实施例2电磁单元的第二金属孔，47、实施例2电磁单元的第一介质层，48、实施例2电磁单元的第二介质层，49、实施例2电磁单元的第三介质层。

具体实施方式

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。

超表面是由大量电磁单元阵列排布而成的平板结构，通过控制不同位置上电磁单元的电磁响应，实现对入射电磁波的精准调控。现有超表面的电磁响应往往在不同空间角度上差异很大，限制了超表面的功能指标和使用范围。本发明在按照需求设计的电磁单元基本结构的基础上，通过在每个电磁单元的边界上增加金属壁的方法，使不同角度的入射电磁波被金属壁反射，阻断了电磁波传播到相邻的电磁单元，使电磁波仅在各个电磁单元内部产生谐振，因此电磁单元的电磁响应为其内部电磁波多次反射叠加后的总和，减小了对入射电磁波角度的敏感性，有效提高了电磁单元和超表面的电磁响应的角度稳定性。该金属壁可通过印制电路板工艺或者机械加工快速实现。由此，本发明将促进超表面在新体制无线通信、智能无线传感等领域中的广泛运用。

本发明的一种超表面，包括：阵列排布的电磁响应可调控的若干电磁单元，所述电磁单元为多层平面结构，包括至少一个金属层、至少一个介质层以及设置在多层平面结构周围边界上的金属壁，所述金属壁设置在所述多层平面结构内，在厚度方向上横跨至少一个所述介质层，金属壁与所述至少一个金属层相连；金属壁结构使得入射电磁波仅在各个电磁单元内部产生谐振，以提高超表面对单个极化或者多个极化电磁响应角度稳定性，同时提高超表面俯仰角或方位角空间方向上的电磁响应角度稳定性。

可选的，金属壁上的导电层为完整金属面结构、网状结构或栅状结构，以及前述结构的任意组合。

可选的，金属壁的材料包括但不限于导电胶、铝、铁、锡、铜、银或金及具有前述材质的任意组合。

可选的，金属壁通过印制电路板工艺进行加工，或使用机械加工。

可选的，所述印制电路板工艺包括但不限于钻孔、铣槽、离子注入、沉铜、电镀或树脂塞孔，以及前述工艺的任意组合。

可选的，金属壁使用印制电路板工艺中的金属化孔或金属化槽结构。

下面参考附图描述本发明的两个实施例，实施例1提供了一种宽带全极化大角度稳定超表面，实施例2提供了一种基于六边形电磁单元的大角度超表面。两个实施例都使用了本发明设计方法，其流程图如图15所示，改善了上述技术背景中提到的现有超表面电磁响应在不同空间角度上差异很大的问题。

在本发明实施例1中，所提供超表面为一种反射式宽带全极化大角度超表面，由大量电磁响应可调控的电磁单元1阵列排布而成，所述电磁单元的结构如图1和图2所示；所述电磁单元设计过程为：第一步为根据全极化的功能需求设计一种对不同极化都有相同响应的电磁单元，基于传统方法设计的电磁单元往往是多层平面结构，包含四个变容二极管12、第一金属层21、第二金属层22、第三金属层23、第一金属孔25、第二金属孔26、第一介质层27、第二介质层28和第三介质层29；第二步为在上一步设计电磁单元的基础上，在其边界上增加金属壁24结构，厚度方向上横跨第一介质层27，包裹在第一介质层四周，并与第一金属层和第二金属层中的对应金属贴片相连；第三步为完善所述电磁单元结构设计，由于生产制造的需要，将金属壁向电磁单元内侧稍微移动特定距离，并根据仿真结果优化该电磁单元的几何参数和材质属性，使得在变容二极管12的可调控范围内，电磁单元的反射相位可调范围接近360度并且相位可调的频率范围尽可能大；第四步为将电磁单元按照矩形网格排列成整块超表面，完善超表面整体设计。

在本发明实施例1中，所述电磁单元的金属壁24位于电磁单元1的四个边界上，该金属壁上的导电层为完整金属面结构，且与电磁单元的第一金属层21和第二金属层22相连，形成一个腔体；金属壁与相邻单元的金属壁之间的距离为2*w，其中w为0.5mm；该金属壁由铜和金材质组成，可通过印制电路板工艺加工，其中包括铣槽、离子注入、沉铜、电镀和树脂塞孔等工艺；该金属壁可使用印制电路板中的金属化槽结构快速实现。

在本发明实施例1中，所述电磁单元1的边长p＝16mm，第一金属层21包含五块金属贴片，整体呈现90度旋转对称结构，结合90度旋转对称分布的变容二极管12，可对任意极化电磁波产生相同的电磁响应；第一金属层的中间金属贴片为八边形结构，其中m＝6mm，n＝1.41mm；周围四个金属贴片为梯形结构，其中b＝15.2mm，c＝5mm；中间金属贴片与周围四个金属贴片之间的间距g＝0.6mm，变容二极管跨接在两端；第二金属层22为射频地，与超表面中其他电磁单元的第二金属层相连，形成一块完整的金属反射层，而且第二金属层同时作为直流控制信号的地；变容二极管的控制电压为第一金属层内中间金属贴片与周围四个金属贴片之间的电压，该电压由位于电磁单元第三金属层23中的直流馈线通过位于电磁单元中心的第一金属孔25、四个角落上的第二金属孔26和金属壁24加载到第一金属层中对应的金属贴片上，其中所述第一金属孔25贯穿第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三介质层，且与第二金属层隔离，所述第一金属孔25连接第一金属层和第三金属层中的对应金属贴片，第二金属孔26贯穿第二介质层和第三介质层，用于连接第二金属层和第三金属层中的对应金属贴片。

在本发明的实施例1中，变容二极管12工作在反向偏置状态，产品选择MACOM公司的MAVR-000120-14110P型号；第一金属层21与第二金属层22之间的介质层27选择F4B板材，其相对介电常数和损耗角正切分别为2.65和0.001，厚度为h＝2mm；该电磁单元在第二金属层的下面还包含两层介质，分别是半固化片层28和另一层F4B介质层29；半固化片层28的厚度为200μm，相对介电常数为3.52，损耗角正切与F4B基板相同。

在本发明的实施例1中，变容二极管12的电容值可以通过其两端的电压控制，从而实现对电磁单元1的电磁响应状态的调控；图3中(a)和(b)分别给出了该电磁单元在任意极化电磁波垂直入射条件下，电磁单元反射幅度和相位随变容二极管等效电容值C

在本发明的实施例1中，图5给出了该电磁单元反射相位状态随电磁波的入射角度变化的仿真结果，其中，实线为电磁单元运用了金属壁结构的结果，虚线为没有运用金属壁的结果；图5中(a)至(c)展示的是在入射电磁波为TM极化时，入射电磁波分别在方位角

根据本发明实施例1提出的反射式宽带全极化大角度超表面的实物样品如图6所示；该超表面可使用印制电路板工艺生产，电磁单元之间的空隙使用树脂填平处理，能有效提高超表面的机械强度；超表面由20×20个电磁单元阵列排布而成，并使用含400路独立电压输出通道的驱动器独立控制每个电磁单元的电磁响应；根据超表面的互易性，该超表面不仅对不同空间角度入射电磁波的电磁响应具有稳定性，对反射电磁波的电磁响应同样具有空间角度稳定性，可以使得反射波在更大的空间角度范围内保持预设的电磁属性，最基本的功能是可以将入射电磁波反射到更大偏转角的方向；因此，为了验证超表面电磁响应的大角度稳定性，实验测量了该超表面的大角度波束扫描功能；在电磁暗室中的远场方向图测量场景如图7所示，发射端天线距离超表面2m，满足发射天线远场条件，因此发射天线照射到超表面的电磁波可近似为平面波。

在本发明的实施例1中，超表面的相位分布使用广义斯涅耳定律计算确定，无需其他相位修正，该超表面大角度波束扫描的实验测量结果展示在图8中；其中，图8中(a)至(c)给出了TM极化下，超表面单波束扫描的归一化远场方向图结果，图8中(d)至(f)给出了TE极化下的超表面单波束扫描的归一化远场方向图结果；从图8的测量结果可以得到，各个散射波束的指向与设计相符，而且使用金属壁结构增强电磁响应角度稳定性后的超表面可以稳定地将垂直入射电磁波反射到60度方向；其他没有使用大角度设计的超表面仅能将入射电磁波反射到40度至45度左右的方向，充分验证了本发明方法对增强超表面电磁响应角度稳定性的有效性。

在本发明实施例2中，所提供超表面为一种基于六边形电磁单元的大角度超表面，由大量电磁响应可调控的六边形电磁单元3阵列排布而成，所述电磁单元的结构如图9和图10所示；所述电磁单元设计过程为：第一步为根据单极化的功能需求设计一种可调控TM极化电磁波的电磁单元，基于传统方法设计的电磁单元往往是多层平面结构，包含一个变容二极管32、第一金属层41、第二金属层42、第三金属层43、第一金属孔45、第二金属孔46、第一介质层47、第二介质层48和第三介质层49；第二步为在上一步设计电磁单元的基础上，在其边界上增加金属壁44结构，在厚度方向上横跨第一介质层47，包裹在第一介质层四周，并与第一金属层和第二金属层中的对应金属贴片相连；第三步为完善所述电磁单元结构设计，满足生产制造的需要，并根据仿真结果优化该电磁单元的几何参数和材质属性，使得在变容二极管32的可调控范围内，电磁单元的反射相位可调范围接近360度并且相位可调的频率范围尽可能大；第四步为将电磁单元按照三角网格排列成整块超表面，完善超表面整体设计。

在本发明实施例2中，所述电磁单元的金属壁44位于电磁单元3的六个边界上，该金属壁上的导电层为栅状结构，且与电磁单元的第一金属层41和第二金属层42相连，形成一个腔体；该金属壁可使用印制电路板中的金属化孔结构快速实现，金属孔的直径为1mm，孔之间的间距为1mm；该金属壁由铜和金材质组成，可通过印制电路板工艺加工，其中包括钻孔、离子注入、沉铜、电镀和树脂塞孔等工艺。

在本发明实施例2中，所述电磁单元3为正六边形结构，其边长l＝12mm，第一金属层41包含三块金属贴片，整体沿x方向对称，可对TM极化电磁波产生电磁响应；第一金属层的中间两个金属贴片为在正六边形中间开缝形成的两个五边形，其中b＝9.7mm，a＝4.55mm，g＝0.6mm，变容二极管跨接在这两块金属贴片之间；第一金属层中在电磁单元边界上围绕有一圈金属边，其宽度为w＝1.3mm；第二金属层42为射频地，与超表面中其他电磁单元的第二金属层相连，形成一块完整的金属反射层，而且第二金属层同时作为直流信号地；变容二极管的控制电压为第一金属层内中间两个金属贴片之间的电压，该电压由位于电磁单元第三金属层43中的直流馈线通过第一金属孔45和第二金属孔46加载到第一金属层中对应的金属贴片上，其中所述第一金属孔45和第二金属孔46贯穿第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三介质层，用于连接第一金属层和第三金属层中的对应金属贴片；第一金属孔45与第二金属层相连，第二金属孔46与第二金属层隔离。

在本发明的实施例2中，变容二极管32工作在反向偏置状态，产品选择MACOM公司的MAVR-000120-14110P型号；第一金属层41与第二金属层42之间的介质层47选择F4B板材，其相对介电常数和损耗角正切分别为2.2和0.001，厚度为h＝3mm；该电磁单元在第二金属层的下面还包含两层介质，分别是半固化片层48和另一层F4B介质层49；半固化片层48的厚度为200μm，相对介电常数为3.52，损耗角正切与F4B基板相同。

在本发明的实施例2中，变容二极管32的电容值可以通过其两端的电压控制，从而实现对电磁单元3的电磁响应状态的调控；图11中(a)和(b)分别给出了该电磁单元在TM极化电磁波垂直入射条件下，电磁单元反射幅度和相位随变容二极管等效电容值C

在本发明的实施例2中，图12给出在入射电磁波频率为5GHz且极化为TM极化时，该电磁单元的四个反射相位编码状态在xoz平面内随入射电磁波天顶角变化的结果对比图，其中，实线为电磁单元运用了金属壁结构的结果，虚线为没有运用金属壁的结果；从图12中的对比结果可以得到，当入射角小于60度时，使用金属壁结构能有效增强电磁单元对不同入射角度电磁波响应的角度稳定性。

根据本发明实施例2提出的基于六边形电磁单元的反射式三角网格分布的大角度超表面的仿真图如图13所示；该超表面由20×20个电磁单元三角网格排布而成，该超表面可使用印制电路板工艺生产，并使用含400路独立电压输出通道的驱动器独立控制每个电磁单元的电磁响应；根据超表面的互易性，该超表面不仅对不同空间角度入射电磁波的电磁响应具有稳定性，对反射电磁波的电磁响应同样具有空间角度稳定性，可以使得反射波在更大的空间角度范围内保持预设的电磁属性，最基本的功能是可以将入射电磁波反射到更大偏转角的方向；因此，为了验证超表面电磁响应的大角度稳定性，仿真了该超表面的大角度波束扫描功能。

在本发明的实施例2中，超表面的相位分布使用广义斯涅耳定律计算确定，无需其他相位修正；图14给出了TM极化下，该超表面大角度波束扫描的归一化远场方向图结果，从仿真结果可以得到，各个散射波束的指向与设计相符，而且使用金属壁结构增强电磁响应角度稳定性后的超表面可以稳定地将垂直入射电磁波反射到60度方向；其他没有使用大角度设计的超表面仅能将入射电磁波反射到40度至45度左右的方向，充分验证了本发明方法对增强超表面电磁响应角度稳定性的有效性。

综上，如图15所示，本发明的超表面设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据超表面的功能需求设计电磁单元的基本结构和形状，一般为多层平面结构，包含至少一个金属层和一个介质层；步骤2：在所述电磁单元的边界上增加金属壁结构，所述金属壁设置在所述多层平面结构内，在厚度方向上横跨至少一个所述介质层；步骤3：完善所述电磁单元结构设计，使所述超表面可以被生产制造，并根据仿真结果优化所述电磁单元的几何参数和材质属性，实现所述功能需求的指标；步骤4：将所述电磁单元按照一定排布方式组成超表面，完善所述超表面整体设计。

本发明的一种增强超表面电磁响应角度稳定性的方法，包括：在按照需求设计的电磁单元基本结构的基础上，在每个电磁单元的边界上增加金属壁结构，使得入射电磁波仅在各个电磁单元内部产生谐振，有效提高电磁单元和超表面的电磁响应的角度稳定性。

由此，本发明将促进超表面在新体制无线通信、智能无线传感等领域中的广泛运用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。