电磁超表面、制备方法及无线中继系统

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种电磁超表面、制备方法及无线中继系统。

背景技术

第五代移动通讯技术(5G，Fifth-generation)主要包括两部分的工作频段：(1)低于6GHz的频段，该频段是5G技术的主用频段，其特点是频率低，绕射能力强，覆盖效果好，该频段最大支持100Mbps的带宽；其中，最有可能优先部署的5G频段包括3.3GHz～4.2GHz，4.4GHz～5.0GHz，而低于3GHz的部分，则包括了现网在用的2G、3G、4G的频谱；(2)高于6GHz的频段，该频段是5G技术的扩展频段，其优点是频谱干净，干扰较小，该频段最大支持400Mbps的带宽，未来很多高传输速率应用都会基于此段频谱实现。

然而，如图1所示，5G信号也由于其频率较高的特点，存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响以及易被障碍物屏蔽等缺点，而生活中普通墙体主要由混凝土与砖头建造，其阻抗往往与空气严重不匹配，因此也很容易对包括5G信号在内的无线信号造成阻挡，导致无线信号的传输接收效果不佳，从而对人们的日常工作和生活造成影响。

发明内容

基于此，有必要针对较高频的信号传输距离短、穿透能力差的问题，提供一种改进的电磁超表面。

一种电磁超表面，所述电磁超表面设于第二介质的至少部分表面，所述第二介质置于所述第一介质之中，且所述第二介质阻碍电磁波的传输，其中，

所述电磁超表面包括：

多个相位调控单元，每个所述相位调控单元具有对应的调控参数，所述调控参数包括所述相位调控单元的电磁参数和/或结构参数；

所述调控参数被配置为：当电磁波自所述第一介质入射至所述至少部分表面时，使自所述电磁超表面出射的透射电磁波于所述至少部分表面具有预设的相位分布，所述预设的相位分布被配置为使所述透射电磁波汇聚且汇聚焦点位于所述第二介质的外部。

上述电磁超表面，能够使入射的电磁波汇聚并穿透阻碍电磁波传输的第二介质，且可在第二介质的外部形成一个电磁波汇聚焦点，从而在一定程度上克服了较高频的信号传输距离短、穿透能力差的缺陷，充分利用了第二介质中不断衰减的信号，提高了信号的传输范围和能量利用率。

在其中一个实施例中，所述相位调控单元为平面对称结构，且所述相位调控单元具有至少两个对称平面。

在其中一个实施例中，所述电磁超表面包括多个相位调控单元组，每个所述相位调控单元组以所述电磁超表面的中心为圆心呈同心圆排布，且每个所述相位调控单元组中各所述相位调控单元均相同。

在其中一个实施例中，所述相位调控单元包括：多个金属图案层，沿所述至少部分表面的法线方向间隔设置；间隔层，设于相邻的所述金属图案层之间以将相邻的所述金属图案层间隔开；其中，所述相位调控单元的调控参数包括：所述金属图案层的电磁参数和结构参数中的至少一种；和/或，所述间隔层的电磁参数和结构参数中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述金属图案层的层数大于或等于3。

在其中一个实施例中，所述金属图案层包括：金属圆盘，位于所述金属图案层的中心；和/或，金属方形环，环绕所述金属圆盘设置。

在其中一个实施例中，所述金属圆盘的半径为r，所述金属方形环的线径为w，其中，0≤r≤7.67mm，0.9mm≤w≤2.2mm。

在其中一个实施例中，所述金属圆盘的半径为r，所述金属方形环的线径为w，其中，0≤r≤1.5mm，0.16mm≤w≤0.31mm。

在其中一个实施例中，所述金属圆盘的半径为r，所述金属方形环的线径为w，其中，0≤r≤189μm，22.5μm≤w≤55μm。

在其中一个实施例中，所述金属圆盘的材质包括铜、铝、银、金、锌中的至少一种；所述金属方形环的材质包括铜、铝、银、金、锌中的至少一种。

在其中一个实施例中，自所述第一介质向所述第二介质入射的电磁波为入射电磁波，所述电磁超表面的厚度小于或等于真空中所述入射电磁波的波长的十分之一。

在其中一个实施例中，所述电磁超表面的工作频率的范围包括2.4GHz～5.4GHz。

在其中一个实施例中，所述电磁超表面的工作频率的范围包括22GHz～30GHz。

在其中一个实施例中，所述电磁超表面的工作频率的范围包括0.15THz～0.25THz。

在其中一个实施例中，所述电磁超表面的焦距范围包括0～300mm。

本申请还提供一种电磁超表面的制备方法。

一种电磁超表面的制备方法，所述电磁超表面设于第二介质的至少部分表面，所述第二介质置于所述第一介质之中，且所述第二介质阻碍电磁波的传输，其特征在于，所述制备方法包括：获取所述第一介质和所述第二介质的相对介电常数；获取期望的汇聚焦距，所述期望的汇聚焦距被配置为使电磁波自所述第一介质入射至所述至少部分表面时，自所述电磁超表面出射的透射电磁波汇聚且汇聚焦点位于所述第二介质的外部；根据所述第一介质和所述第二介质的相对介电常数、所述汇聚焦距，确定自所述电磁超表面出射的透射电磁波在所述至少部分表面上的相位分布；提供多个相位调控单元；根据所述相位分布确定每个所述相位调控单元的调控参数，所述调控参数包括所述相位调控单元的电磁参数和/或结构参数；将确定的调控参数施加至对应的相位调控单元。

上述制备方法，可根据第一介质和第二介质的相对介电常数、汇聚焦距而计算得到透射电磁波于第二介质表面所需的相位分布，进而根据该相位分布可计算得到每个相位调控单元对应的调控参数，进而得到能使电磁波汇聚的电磁超表面，且汇聚焦点位于用于阻碍电磁波传输的第二介质外部。通过上述方法制备出的电磁超表面，可增强电磁波的穿透能力，提高信号的传输范围和能量利用率。

在其中一个实施例中，所述第一介质包括空气，所述第二介质包括墙体、玻璃、电介质隔板、陶瓷中的至少一种。

在其中一个实施例中，自所述第一介质入射至所述至少部分表面的电磁波的入射角的范围为0～60°。

本申请还提供一种无线中继系统。

一种无线中继系统，包括如前文所述的电磁超表面；以及信号放大器，所述信号放大器设于所述透射电磁波的汇聚焦点处。

上述无线中继系统，可先使杂乱的信号汇聚，形成可以通讯的较强的局域信号，再通过信号放大器可有效扩展信号的传播范围。通过上述无线中继系统，可在基本不调整信号源的前提下，使信号穿透墙体、玻璃等介质，并具备较大的传播范围，同时还具备较高的传输速率。

本申请还提供一种信号接收装置。

一种信号接收装置，包括本体，设于所述本体至少部分表面的电磁超表面；以及设于所述本体远离所述电磁超表面一侧的信号接收元件；其中，所述电磁超表面被配置为：当电磁波入射至所述至少部分表面时，使自所述电磁超表面出射的透射电磁波于所述至少部分表面具有预设的相位分布，所述预设的相位分布被配置为使所述透射电磁波汇聚且汇聚焦点位于所述信号接收元件的信号接收部。

上述信号接收装置，通过该电磁超表面可将信号集中于信号接收元件的信号接收部从而被信号接收元件更有效的接收，如此有利于提升信号接收装置的信号接收性能。

本申请还提供一种通信装置。

一种通信装置，包括信号发射元件；本体，设于所述本体至少部分表面的电磁超表面；以及设于所述本体远离所述电磁超表面一侧的信号接收元件；其中，所述电磁超表面被配置为：当电磁波入射至所述至少部分表面时，使自所述电磁超表面出射的透射电磁波于所述至少部分表面具有预设的相位分布，所述预设的相位分布被配置为使所述透射电磁波汇聚且汇聚焦点位于所述信号接收元件的信号接收部。

上述通信装置，通过该电磁超表面可将信号集中于信号接收元件的信号接收部从而被信号接收元件更有效的接收，如此有利于提升通信装置的信号接收性能，进而有利于提升与外界的通信性能。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为信号被墙体阻隔的示意图；

图2为本申请一实施例的电磁超表面中相位调控单元的排布示意图；

图3为图2所示实施例的各相位调控单元的编号图；

图4示出了图2所示实施例的电磁超表面在不同频率下工作时汇聚焦点附近的能量分布曲线；

图5示出了图2所示实施例的电磁超表面在不同入射角下工作时汇聚焦点附近的能量分布曲线；

图6示出了本申请一实施例中相位调控单元的透射电磁波的透射率和透射相位随相位调控单元的圆盘半径的变化曲线；

图7示出了本申请一实施例中相位调控单元的透射电磁波的透射率和透射相位随相位调控单元的方形环线径的变化曲线；

图8为本申请另一实施例的电磁超表面中相位调控单元的排布示意图；

图9示出了图8所示实施例的电磁超表面在不同频率下工作时汇聚焦点附近的能量分布曲线；

图10示出了图8所示实施例的电磁超表面在不同入射角下工作时汇聚焦点附近的能量分布曲线；

图11为本申请又一实施例的电磁超表面中相位调控单元的排布示意图；

图12示出了图11所示实施例的电磁超表面在不同频率下工作时汇聚焦点附近的能量分布曲线；

图13示出了图11所示实施例的电磁超表面在不同入射角下工作时汇聚焦点附近的能量分布曲线；

图14为本申请一实施例的无线中继系统的工作示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。

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，“多个”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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

现有技术中，实现WiFi信号的远距离传输和障碍物穿透的传统方案是利用2.4GHzWiFi信号，由于该信号的工作频率较低，在空气或障碍物中传播时衰减较小，可以实现更远距离传播。目前大多数无线设备都工作在2.4GHz这个频段，这也导致了无线环境更拥挤，干扰较大，且带宽窄传输速率也相对低。另一方面，利用WiFi信号放大器来作为中继也可以实现扩大WiFi信号范围，该信号放大器件会另外发出一个WiFi信号来作为二级中继信号源进行信号范围扩展，但其所放置的位置的WiFi信号强度需要达到一定阈值才能进行正常的信号传输，否则无法与源路由器进行数据交换，并且对于信号很弱的地方，信号放大器也无法正常工作。

因此，虽然可以通过增大发射信号频率或是增添中继设备的方式来提升无线信号的接收效果，但是前者存在传输距离变短、覆盖范围变小、穿透能力变差的问题，而后者的实际效果仍欠佳，且需要投入较多的人力物力重新规划和铺设线路，导致成本大大上升。

本申请采用电磁超表面来增强较高频信号(如大于或等于3GHz的信号)的传输距离和穿透能力，以解决传统的无线工作频率环境拥挤、而较高频信号传输距离短、穿透能力不强的问题。

如图2所示，本申请提供一种电磁超表面1000，包括多个相位调控单元10，每个相位调控单元10具有对应的调控参数，调控参数包括相位调控单元的电磁参数和/或结构参数。其中，电磁参数可包括相位调控单元10的介电常数、磁导率，结构参数可包括相位调控单元10的长度、宽度、高度，和/或相位调控单元10的内部不同材料结构之间的间距和/或内部各材料结构对应的长度、宽度、高度、弯折的角度等。

该电磁超表面1000设于第二介质的至少部分表面，第二介质置于第一介质之中，且第二介质阻碍电磁波的传输。相应的，相位调控单元的调控参数被配置为：当电磁波自所述第一介质入射至第二介质时，使自电磁超表面出射的透射电磁波于第二介质的至少部分表面具有预设的相位分布，该预设的相位分布被配置为使透射电磁波汇聚且汇聚焦点位于第二介质的外部。其中，该至少部分表面位于第二介质朝向信号源的一侧表面，且在未设置电磁超表面1000时也承接至少部分的入射电磁波入射；其中，第二介质的外部所对应的区域范围包括第二介质的表面以及第二介质以外的外部空间区域。

可选的，第二介质阻碍电磁波传输可表现为电磁波入射至第二介质时，第二介质会对电磁波发生反射、散射、吸收中的至少一种，使得电磁波自第二介质透射后会发生明显的能量减弱。例如当透射电磁波与入射电磁波的能量的比值小于或等于0.5时，可认为第二介质阻碍了电磁波的传输。需要指出的是，上述比值仅作为解释“阻碍”的示例，在不同的电磁波传输场景中，“阻碍”与否有时也需要视透射电磁波的能量的降低程度而定。例如，在较为精密的测试环境中，有时即使透射电磁波的能量只是发生些许降低，都会影响测试结果，则此时即使比值大于0.5但小于0.8或小于0.9，也都可认为第二介质阻碍了电磁波的传输；又如，在居家室内场景中，有时WiFi信号被墙体阻挡，但设备仍能连上WiFi，只是网速稍微慢一些，则可认为此时第二介质没有阻碍电磁波传输，而当比值小于或等于0.2(又或0.3)使得设备较难连网时，则可认为第二介质明显阻碍了电磁波的传输。可选的，第一介质可以是空气、水等介质；第二介质可以是墙体、玻璃、金属、陶瓷、电介质隔板等，这些材料均可能在不同场景下对电磁波的传输造成一定的阻碍。可选的，第一介质可以是空气、水等介质；第二介质可以是墙体、玻璃、金属、陶瓷、电介质隔板等，这些材料均会对电磁波的传输造成一定的阻碍。

众所周知，现有的墙体、玻璃、金属、陶瓷、电介质隔板等由于阻抗与空气严重不匹配，因此很容易对包括5G信号在内的无线信号造成阻挡，导致无线信号的传输接收效果不佳，从而对人们的日常工作和生活造成影响。而本申请的电磁超表面1000可通过使入射进第二介质的电磁波汇聚在第二介质外部，从而在一定程度上克服较高频的信号传输距离短、穿透能力差的缺陷，充分利用第二介质中不断衰减的信号，提高信号的传输范围和能量利用率。

可选的，预设相位分布可以是

在一些实施方式中，相位调控单元10为平面对称结构，且相位调控单元具有至少两个对称平面。通过给相位调控单元10设置至少两个对称平面，有助于使相位调控单元10实现不同偏振的电磁波透射汇聚。如图2所示，相位调控单元10至少具备r-z平面和w-z平面两个对称平面，如此，有利于实现TE偏振(横电波)和TM偏振(横磁波)的电磁波透射汇聚。

在一些实施方式中，电磁超表面1000包括多个相位调控单元组100，每个相位调控单元组100以电磁超表面1000的中心为圆心呈同心圆排布，且每个相位调控单元组100中各相位调控单元10均相同。如此，可使电磁超表面1000整体也具备多个对称平面，从而无论入射的电磁波的偏振如何，电磁超表面1000均能实现电磁波透射汇聚的效果。

在一些实施方式中，如图2所示，相位调控单元10包括：多个金属图案层，沿至少部分表面的法线方向间隔设置；间隔层，设于相邻的所述金属图案层之间以将相邻的所述金属图案层间隔开；其中，所述相位调控单元的调控参数包括：所述金属图案层的电磁参数和结构参数中的至少一种；和/或，所述间隔层的电磁参数和结构参数中的至少一种。通过设置多个金属图案层可以为相位调控单元10的相位变化调控以及入射电磁波的透射率调控提供更多自由度，从而更有利于入射电磁波期望的透射率以及透射电磁波于至少部分表面期望的相位分布的实现。可选的，金属图案层可以为2层、3层、4层、5层、6层等整数层，对应的间隔层可以为1层、2层、3层、4层、5层等，技术人员可根据实际需求选取合适数量的金属图案层和间隔层，以在多自由度的透射相位调控和电磁超表面1000的厚度之间取得平衡。可选的，金属图案层的层数大于或等于3层，从而更有利于使电磁超表面1000实现0°～360°的相位变化。

在一些实施方式中，金属图案层包括：金属圆盘，位于金属图案层的中心；和/或，金属方形环，环绕金属圆盘设置。在一些实施方式中，金属圆盘的半径为r，金属方形环的线径为w，其中，0≤r≤7.67mm，0.9mm≤w≤2.2mm。例如，r可以是0、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm中的任意一个，w可以是0.9mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2.1mm、2.2mm中的任意一个。如此，有利于透射电磁波在第二介质的至少部分表面实现近325°跨度的相位变化，从而有利于透射电磁波在第二介质的至少部分表面实现任意的相位分布要求，例如，可以实现使透射电磁波汇聚于第二介质外部的相位分布要求。

具体的，图6示出了本申请一实施例中相位调控单元的透射电磁波的透射率和透射相位随相位调控单元的圆盘半径的变化曲线，图7示出了本申请一实施例中相位调控单元的透射电磁波的透射率和透射相位随相位调控单元的方形环线径的变化曲线。从图中可以看到，当金属方形环的线径w一定，圆盘半径r从0～7.62mm变化时，对应的透射相位从-14°变化至-306°，对应的透射率则在0.6～1之间变化；而当圆盘半径r一定，金属方形环的线径w从0.9mm～2.2mm变化时，对应的透射相位从18.7°变化至-19.5°，对应的透射率则在0.55～0.82之间变化。因此，当圆盘半径r和金属方形环两者同时变化时，对应的透射相位可从18.7°变化至-306°(相位跨度为325°左右)，对应的透射率可大于0.55。

从相位设计的角度来说，透射相位的变化范围最好是0°～360°或者更多，因为相位覆盖360°时可以满足任意的相位分布要求，但是在设计过程中单元透射率也是制约因素之一，当透射相位跨度超过325°时，此结构的透射率降低很多，这将影响本设计的聚焦效率，因此在设计相位调控单元时，通常会舍弃一些透射率较低的尺寸设计。换言之，相位调控单元的设计选取，就是要在保证高透射率的前提下，可使透射电磁波在第二介质至少部分表面的透射相位的变化范围要尽可能的接近或大于0°～360°。

在另一些实施方式中，金属圆盘的半径为r的范围还可以是0≤r≤1.5mm，例如，r可以是0、0.3mm、0.6mm、0.9mm、1.2mm、1.5mm中的任意一个；金属方形环的线径w的范围还可以是0.16mm≤w≤0.31mm，例如，w可以是0.16mm、0.18mm、0.2mm、0.22mm、0.24mm、0.26mm、0.28mm、0.3mm、0.31mm中的任意一个。如此，有利于透射电磁波在第二介质的至少部分表面实现近360°跨度的相位变化，从而有利于透射电磁波在第二介质的至少部分表面实现任意的相位分布要求，例如，可以实现使透射电磁波汇聚于第二介质外部的相位分布要求。

在另一些实施方式中，金属圆盘的半径为r的范围还可以是0≤r≤189μm，例如，r可以是0、40μm、80μm、120μm、160μm、180μm、189μm中的任意一个；金属方形环的线径w的范围还可以是22.5μm≤w≤55μm，例如，w可以是22.5μm、27.5μm、32.5μm、37.5μm、42.5μm、47.5μm、52.5μm、55μm中的任意一个。如此，有利于透射电磁波在第二介质的至少部分表面实现近360°跨度的相位变化，从而有利于透射电磁波在第二介质的至少部分表面实现任意的相位分布要求，例如，可以实现使透射电磁波汇聚于第二介质外部的相位分布要求。

在一些实施方式中，金属圆盘的材质包括铜、铝、银、金、锌中的至少一种；金属方形环的材质包括铜、铝、银、金、锌中的至少一种。从而金属圆盘和金属方形环的制备材料多样，有利于本申请电磁超表面1000的制备。可选的，金属圆盘和金属方形环的材质还可以是ITO(氧化铟锡)等导电材料，技术人员可根据实际情况进行选择，本申请对此不做限制。

在一些实施方式中，自第一介质向第二介质(即向设置有电磁超表面1000的至少部分表面)入射的电磁波为入射电磁波，电磁超表面1000的厚度小于或等于真空中入射电磁波的波长的十分之一。本申请中，可通过对电磁超表面1000中相位调控单元10的电磁参数和/或结构参数进行配置，使得电磁超表面1000的厚度小于真空中入射电磁波的波长的十分之一，以提供一种更薄型的具备电磁波汇聚效果的电磁超表面1000。

在一些实施方式中，如图4所示，电磁超表面1000的工作频率的范围包括2.4GHz～5.4GHz。例如可以是2.4GHz、3GHz、3.6GHz、4.2GHz、4.8GHz、5.4GHz中的任意一个。如此有利于使电磁超表面1000的工作频段覆盖当前5G通讯技术的常用频段，从而有利于扩大5G信号的传输距离、增强5G信号的穿透能力。

在一些实施方式中，如图9所示，电磁超表面2000的工作频率的范围包括22GHz～30GHz。例如可以是22GHz、23GHz、24GHz、25GHz、26GHz、27GHz、28GHz、29GHz、30GHz中的任意一个。如此有利于使电磁超表面2000的工作频段覆盖5G通讯技术的毫米波频段，从而有利于扩大5G信号毫米波频段的传输距离、增强5G信号毫米波频段的穿透能力。

在一些实施方式中，如图12所示，电磁超表面3000的工作频率的范围包括0.15THz～0.25THz。例如可以是0.15THz、0.16THz、0.17THz、0.18THz、0.19THz、0.2THz、0.21THz、0.22THz、0.23THz、0.25THz中的任意一个。如此有利于使电磁超表面3000的工作频段覆盖太赫兹频段，从而有利于扩大太赫兹波段的传输距离、增强太赫兹波段的穿透能力。

在一些实施方式中，电磁超表面的焦距范围包括0～300mm。例如可以是5、10mm、20mm、40mm、80mm、120mm、160mm、200mm、240mm、280mm、300mm中的任意一个。如此有利于使电磁超表面的汇聚焦点位于第二介质外部的同时，还具有较宽的调节范围，从而实现如室内信号增强(如可在墙体外部的汇聚焦点放置信号放大器以对电磁波实现中继增强)、移动设备通讯增强(如可使移动设备接收信号时使信号集中增强进而被内置天线更好地接收)的效果。

以下通过三个具体实施例来阐述本申请的发明构思，并分别从宽频和宽角度两个方面来说明本申请实施例所具备的技术效果。

具体实施例一

请继续参考图2，本实施例中的电磁超表面是由三层金属薄层(即金属图案层)和两层电介质间隔层间隔堆叠而成，其中电介质间隔层将相邻的两个金属薄层间隔开，每层金属薄层均通过刻蚀形成20*20＝400个微小的金属结构。进一步的，各金属薄层中在同一位置处的金属结构与对应的电介质间隔层可共同形成本实施例的相位调控单元10，各相位调控单元10的尺寸可相同并可按一定相位梯度拼接排列组成，每个相位调控单元10上的金属结构均精确设计了尺寸参数，两层电介质间隔层将三层金属层拉开一定距离使得相位调控单元10获得所需要的电磁响应，进而使得电磁超表面1000获得高透射率以及较大的透射相位变化范围。

在实际设计中，通过调节每层金属层的圆盘半径以及方形环线宽，我们可以获得一系列的高透射的相位调控单元10，并且有大约325°的相位变化范围，再根据广义斯涅尔定律来确定每个位置所需要的透射相位进而来排布对应的相位调控单元10，最终得到我们的汇聚型超表面。通常情况下，入射电磁波在遇到墙面等障碍物时，该电磁超表面1000可利用界面相位突变来实现透射电磁波的波前调控，以将空气中传播的平面波信号转化为在墙体中不断汇聚的球面波，最终透射电磁波透过墙体时能在第二介质外形成一个较强的局域信号，该局域信号的能量密度远大于未放置电磁超表面1000时电磁波的能量密度。

另外，本实施例的电磁超表面1000是对电磁波偏振方向不敏感的，这得益于每个相位调控单元10的对称结构，圆盘形和方形环形结构在r方向和w方向均是对称结构，且这些相位调控单元10按照径向相位分布排列，在同心圆上的相位调控单元10是一致的，因此最终形成的超表面也是对称的，这意味着无论入射波偏振方向如何，均能达到汇聚的效果。

设计中所采用的金属薄层材料可为铜(由于在微波段金属材料响应类似，也可以是铝等材料)，而所选用的电介质间隔层为相对介电常数可为4.3的环氧树脂(介电常数相同的低损耗电介质材料也可以实现)，每个相位调控单元10的尺寸可为18.9mm*18.9mm，每个相位调控单元10具三层完全一致的金属层结构，即外部一个方形环(线宽w范围为0.9mm～2.2mm不等)与中心圆盘(半径r范围为0～7.67mm)的组合，其中金属薄层厚度均为0.036mm，电介质间隔层厚度均为3mm。所排列组成的完整电磁超表面1000的面积为378mm*378mm,即使用了20*20个相位调控单元10排列而成。

进一步的，表1示出了图2所示的电磁超表面1000中各相位调控单元10的金属圆盘和金属方形环的尺寸参数，各相位调控单元10的编号由图3示出。另外需要指出的是，图3中，①2和②1这类编号互换所对应的相位调控单元10，它们的电磁参数和结构参数一致，因此为简化叙述，表格中省略了这些显然一致的相位调控单元10。

表1

仿真时，在该电磁超表面1000后放置一厚度为200mm左右的介电常数为5的电介质作为信号所穿透的墙体(即第二介质)，而所设计的电磁超表面1000的焦距为250mm，此焦距的设计是为了使得汇聚焦点落在墙体后方，从而在墙体后方获得信号很强的次波源，便达到了我们所希望的穿墙后仍有强局域信号覆盖的目的。所设计的目标焦距理论上可以根据公式任意调整，且可以应用在任意厚度墙壁上，并且可以扩展电磁超表面的面积做到更大，换言之，本实施例仅作为示例，而非对目标焦距的设计进行限制。下面通过图4和图5来分别展示电磁超表面1000的宽频、宽角度的电磁波汇聚效果。

A1.宽频

图4示出了入射电磁波在4.2GHz，4.6GHz，5GHz，5.4GHz频率下在墙体后方的截面的能流强度分布。从图中我们可以看到，在墙体后方形成了一个能量汇聚的焦点，其强度远远大于其他位置(约为其他位置的20至30倍)。这个焦点即可作为新的次波源在墙后进行扩散传播，使得在墙后也有局域强信号的分布，并且在4.2GHz到5.4GHz范围内均有很强的聚焦效果，从而有利于增强5G优先部署频段的无线通信效果。不仅如此，如果需要在其他频段对信号进行聚焦，则可以相对波长来缩放电磁超表面1000的尺寸，使得工作频率向目标频段移动，扩展了适用范围。

并且，还通过实验验证了本实施例的有效性。具体的，在墙体前放置一5GHz WiFi路由器，在不使用超表面时，放置在墙后的手机无法搜索到信号；随后将超表面紧贴在墙体前，此时手机在汇聚焦点附近可以搜索到信号并且网络速度达到了上行36.2Mbps，下行45.8Mbps，效果显著。不仅如此，当我们将一个信号放大器放置在墙后的局域增强信号附近(即汇聚焦点附近)，可有效地将数据传输的范围进一步扩大为信号放大器覆盖范围，此时可将手机移动到较远的位置，并将手机连接信号放大器的信号(如图8所示)，再一次对网络速度进行测试，信号传输速度达到了下行13Mbps，上行10.2Mbps。

B1.宽角度

图5示出了本申请另一实施例中，入射电磁波分别以入射角0°、20°、40°、60°入射时，透射电磁波在墙体后方的入射截面上的能量分布曲线，其中，入射电磁波的频率位于5GHz附近。可以看到，电磁波正入射时(入射角为0°)，透射电磁波在r＝0mm附近形成有较强的能量焦点；电磁波以20°、40°、60°入射角入射时，透射电磁波在横坐标0～110mm之间均形成有对应的较强的能量焦点，进而可以推知，至少在入射角0°～60°的大范围内，本申请的电磁超表面仍可以较高效地工作，尤其是在0°～40°的范围内，电磁超表面的工作效率几乎没有降低。

需要指出的是，本次实验测试为方便测量，在测试环境上做了一些改变。

例如，为了避免电磁波可能会绕射或者衍射到墙体后方，本实施例还将墙体做得更大，以增加墙体朝向信号源一侧的表面面积(A1中的墙体该部分面积约为480mm*477mm，B1中的墙体该部分面积约为1200mm*848mm，墙体厚度为220mm)。在经过上述测试环境的调整后，将手机放置在墙体外部的汇聚焦点或汇聚焦点附近时，手机(或利用信号放大器)可以顺利连接网络并且速度达到了上行88.6Mbps,下行83.3Mbps。

进一步的，为了增加网速，更好地利用WiFi路由器的性能，还可将信道带宽由A1中的20MHz调整为40MHz。在经过上述测试环境的调整后，即使将手机放置在远离焦点范围的位置，手机仍然可以通过设置在汇聚焦点或汇聚焦点附近的信号放大器顺利连网，并且网络测速达到了上行38.1Mbps,下行27.1Mbps的速率。

另一方面，基于电磁超表面的高度对称性，以入射角-60°～0°入射的电磁波，对应的透射电磁波在墙体后方的入射截面上的能量分布曲线将与图5中所示的能量分布曲线关于r＝0轴对称。具体的，-60°的入射角与60°的入射角关于电磁超表面的电磁波射入面的法线对称，-40°的入射角与40°的入射角也是如此，其余入射角可以此类推。

具体实施例二

本实施例中为简化叙述，将省略部分与具体实施例一相同的原理性描述。

请继续参考图8，本实施例中的电磁超表面2000同样是由三层金属薄层(即金属图案层)和两层电介质间隔层间隔堆叠而成，且具有24*24＝576个相位调控单元10。其中，金属薄层的厚度为0.008mm，电介质间隔层的厚度为0.562mm，每个相位调控单元10的尺寸为3.54mm*3.54mm。通过调节金属圆盘的半径r(范围为0～1.5mm)和方形环的线宽w(范围为0.16mm～0.31mm)可使透射相位的变化范围接近0～360°，从而有利于实现毫米波频段下的汇聚型电磁超表面2000。

进一步的，表2示出了图8所示的电磁超表面1000中各相位调控单元10的金属圆盘和金属方形环的尺寸参数，各相位调控单元10的编号规则与图3所示的一致，且需要指出，①2和②1这类编号互换所对应的相位调控单元10，它们的电磁参数和结构参数一致，因此为简化叙述，表格中省略了这些显然一致的相位调控单元10。

表2

毫米波是波长为毫米级的电磁波，通常所指的频段为30GHz～300GHz，往往也包含24GHz以上的频段。2019年国际电信联盟(ITU)的世界无线电通信大会(WRC-19)确定24GHz至86GHz之间的毫米波频段将用于国际移动通信(IMT)，在24.55GHz～29.5GHz频谱范围内，已经有数十个国家和地区的上百个运营商进行了研发和部署5G毫米波。我国早在2017年7月就批准在24.75～27.5GHz和37GHz～42.5GHz的5G毫米波频率范围内使用5G技术开展研发试验。

然而，5G毫米波频段高，传播损耗高，衍射和绕射能力弱，覆盖相对受限，这是5G毫米波通信系统面临的最大挑战，换言之，高频通信传播过程中的路径损耗较大，从室内到室外或者相邻房间的穿透损失较大是5G毫米波长期以来的应用痛点。

本实施例设计的电磁超表面2000可以解决上述5G毫米波通信的痛点问题，并通过仿真展示了本实施例电磁超表面2000的宽频、宽角度的电磁波汇聚效果。具体的，仿真时在该电磁超表面2000后放置一厚度为42mm左右的介电常数为5的电介质作为信号所穿透的物体(即第二介质，例如可以是柜体门板、装置的外壳等)，而所设计的电磁超表面2000的焦距为50mm，此焦距的设计同样是为了使得汇聚焦点落在该物体后方，从而在物体后方获得信号很强的次波源。下面通过图9和图10来分别展示电磁超表面1000的宽频、宽角度的电磁波汇聚效果。

A2、宽频

图9示出了入射电磁波在22GHz、24GHz、26GHz、28GHz、30GHz频率下在物体后方的截面的能流强度分布。从图中我们可以看到，在物体后方形成了一个能量汇聚的焦点，其强度远远大于其他位置。这个焦点可作为新的次波源在物体后方进行扩散传播，使得在物体后方也有局域强信号的分布，并且在22GHz～30GHz这一范围内有很强的聚焦效果，从而有利于增强5G毫米波的无线通信效果。可以理解，如果需要在其他频段对信号进行聚焦，则也可以相对波长来缩放电磁超表面2000的尺寸，使得工作频率向目标频段移动，扩展了适用范围。

B2、宽角度

图10示出了本申请另一实施例中，入射电磁波分别以入射角0°、20°、40°、60°入射时，透射电磁波在物体后方的入射截面上的能量分布曲线，其中，入射电磁波的频率位于26GHz附近。可以看到，电磁波正入射时(入射角为0°)，透射电磁波在r＝0mm附近形成有较强的能量焦点；电磁波以20°、40°、60°入射角入射时，透射电磁波在横坐标0～30mm之间均形成有对应的较强的能量焦点，进而可以推知，至少在入射角0°～60°的大范围内，本申请的电磁超表面2000仍可以较高效地工作，尤其是在0°～40°的范围内，电磁超表面2000的工作效率几乎没有降低。

具体实施例三

本实施例中为简化叙述，将省略部分与具体实施例一相同的原理性描述。

请继续参考图11，本实施例中的电磁超表面3000同样是由三层金属薄层(即金属图案层)和两层电介质间隔层间隔堆叠而成，且具有12*12＝144个相位调控单元10。其中，金属薄层的厚度为6μm，电介质间隔层的厚度为75μm，每个相位调控单元10的尺寸为472.5μm*472.5μm。通过调节金属圆盘的半径r(范围为0～189μm)和方形环的线宽w(范围为22.5μm～55μm)可使透射相位的变化范围接近0～360°，从而有利于实现太赫兹频段下的汇聚型电磁超表面3000。

进一步的，表3示出了图11所示的电磁超表面3000中各相位调控单元10的金属圆盘和金属方形环的尺寸参数，各相位调控单元10的编号规则与图3所示的一致，且需要指出，①2和②1这类编号互换所对应的相位调控单元10，它们的电磁参数和结构参数一致，因此为简化叙述，表格中省略了这些显然一致的相位调控单元10。

表3

太赫兹(THz)波段是指频率从0.1THz到10THz范围内的电磁波，是电磁波谱中唯一待全面开发的频谱资源，是世界发达国家争先抢占发展的核心频谱战略资源和科学制高点。而太赫兹技术是新一代IT产业、通信(6G/7G)以及雷达技术的基础。太赫兹波拥有更快的无线传输速率，然而也具有极短的波长，大约在0.03mm到3mm范围内，因此其无线覆盖范围比之5GHzWi-F和毫米波更加有限。

本实施例设计的电磁超表面3000可以解决上述太赫兹电磁波通信的痛点问题，并通过仿真展示了本实施例电磁超表面3000的宽频、宽角度的电磁波汇聚效果。具体的，仿真时在该电磁超表面3000后放置一厚度为4mm左右的介电常数为5的电介质作为信号所穿透的物体(即第二介质，例如可以是手机、电脑、平板、智能穿戴设备等移动设备的机壳、传感器件的外壳等)，而所设计的电磁超表面3000的焦距为5mm，此焦距的设计同样是为了使得汇聚焦点落在该物体后方，从而在物体后方获得信号很强的次波源。下面通过图12和图13来分别展示电磁超表面3000的宽频、宽角度的电磁波汇聚效果。

A3、宽频

图12示出了入射电磁波在0.16THz、0.18THz、0.2THz、0.22THz频率下在物体后方的截面的能流强度分布。从图中我们可以看到，在物体后方形成了一个能量汇聚的焦点，其强度远远大于其他位置。这个焦点可作为新的次波源在墙后进行扩散传播，使得在物体后方也有局域强信号的分布，并且在0.15THz～0.25THz这一范围内有很强的聚焦效果，从而有利于增强太赫兹波的无线通信效果。可以理解，如果需要在其他频段对信号进行聚焦，则也可以相对波长来缩放电磁超表面3000的尺寸，使得工作频率向目标频段移动，扩展了适用范围。

B3、宽角度

图13示出了本申请另一实施例中，入射电磁波分别以入射角0°、20°、40°入射时，透射电磁波在物体后方的入射截面上的能量分布曲线，其中，入射电磁波的频率位于0.18THz附近。可以看到，电磁波正入射时(入射角为0°)，透射电磁波在r＝0mm附近形成有较强的能量焦点；电磁波以20°、40°入射角入射时，透射电磁波在横坐标0～1.6mm之间均形成有对应的较强的能量焦点，进而可以推知，至少在入射角0°～40°的大范围内，本申请的电磁超表面3000仍可以较高效地工作，尤其是在0°～30°的范围内，电磁超表面3000的工作效率几乎没有降低。

本申请还提供一种前述电磁超表面的制备方法，所述电磁超表面用以设置在第二介质的至少部分表面，第二介质置于第一介质之中，且第二介质阻碍电磁波的传输，该制备方法包括：

S100、获取第一介质和第二介质的相对介电常数；

S200、获取期望的汇聚焦距，所述期望的汇聚焦距被配置为使电磁波自第一介质入射至该至少部分表面时，自电磁超表面出射的透射电磁波汇聚且汇聚焦点位于第二介质的外部；

S300、根据第一介质和第二介质的相对介电常数、所述汇聚焦距，确定自电磁超表面出射的透射电磁波在至少部分表面上的相位分布；

S400、提供多个相位调控单元；

S500、根据相位分布确定每个相位调控单元的调控参数，调控参数包括相位调控单元的电磁参数和/或结构参数；

S600、将确定的调控参数施加至对应的相位调控单元。

上述制备方法，可根据第一介质和第二介质的相对介电常数、汇聚焦距而计算得到透射电磁波于第二介质表面所需的相位分布，进而根据该相位分布可计算得到每个相位调控单元对应的调控参数，进而得到能使电磁波汇聚的电磁超表面，且汇聚焦点位于用于阻碍电磁波传输的第二介质外部。通过上述方法制备出的电磁超表面，可增强电磁波的穿透能力，提高信号的传输范围和能量利用率。

在一些实施方式中，第一介质包括空气，第二介质包括墙体、玻璃、电介质隔板中的至少一种。从而，可使本申请的电磁超表面具有更多的生活化应用场景。当第二介质为墙体或柜体时，可实现电磁波的穿墙、穿柜效果，从而有利于解决建筑、家装中无线信号容易被阻挡的问题。

在一些实施方式中，自所述第一介质入射至所述至少部分表面的电磁波的入射角的范围为0～90°。从而，有利于对不同方向入射的电磁波实现汇聚，充分利用入射的电磁波能量。可选的，自所述第一介质入射至所述至少部分表面的电磁波的入射角的范围为0～60°，从而保证汇聚焦点处的电磁波能量强度处于一个较高的量级。

本申请还提供一种无线中继系统，如图14所示，包括如前文所述的电磁超表面；以及信号放大器，该信号放大器设于透射电磁波的汇聚焦点处。可选的，电磁超表面可设置在墙体的入射一侧表面。

上述无线中继系统，可先使杂乱的信号汇聚，形成可以通讯的较强的局域信号，再通过信号放大器可有效扩展信号的传播范围。通过上述无线中继系统，可在基本不调整信号源的前提下，使信号穿透墙体、玻璃等介质，并具备较大的传播范围，同时还具备较高的传输速率。

本申请还提供一种信号接收装置，包括本体，设于本体至少部分表面的电磁超表面，以及设于本体远离所述电磁超表面一侧的信号接收元件，其中，所述电磁超表面被配置为：当电磁波入射至所述至少部分表面时，使自所述电磁超表面出射的透射电磁波于所述至少部分表面具有预设的相位分布，所述预设的相位分布被配置为使所述透射电磁波汇聚且汇聚焦点位于所述信号接收元件的信号接收部。

上述信号接收装置，通过该电磁超表面可将信号集中于信号接收元件的信号接收部从而被信号接收元件更有效的接收，如此有利于提升信号接收装置的信号接收性能。例如，在信号容易被阻挡的区域，该电磁超表面可将入射到本体的微弱信号集中到信号接收元件的信号接收部，从而使信号接收元件仍能接收一定强度的信号。例如，对于GPS阴影区环境、电梯环境、实验室环境等，本申请的信号接收装置均具有较佳的信号接收性能。

可选的，上述本体的轮廓可以由装置的壳形成，也可以由装置内具有信号接收功能的部件形成；可选的，上述信号接收元件可以是天线、蓝牙接收模块、WiFi接收模块、CMOS图像传感器等；可选的，上述信号接收装置可以是GPS传感器、雷达、声呐、手机、笔记本电脑、平板、智能穿戴设备等。

在一些实施方式中，上述电磁超表面的焦距范围包括0～300mm。如此，有利于更好地满足信号接收元件与本体之间的距离要求。

本申请还提供一种通信装置，包括信号发射元件；本体，设于所述本体至少部分表面的电磁超表面；以及设于所述本体远离所述电磁超表面一侧的信号接收元件；其中，所述电磁超表面被配置为：当电磁波入射至所述至少部分表面时，使自所述电磁超表面出射的透射电磁波于所述至少部分表面具有预设的相位分布，所述预设的相位分布被配置为使所述透射电磁波汇聚且汇聚焦点位于所述信号接收元件的信号接收部。

上述通信装置，通过该电磁超表面可将信号集中于信号接收元件的信号接收部从而被信号接收元件更有效的接收，如此有利于提升通信装置的信号接收性能，进而有利于提升与外界的通信性能。例如，在信号容易被阻挡的区域，该电磁超表面可将入射到本体的微弱信号集中到信号接收元件的信号接收部，从而使信号接收元件仍能接收一定强度的信号，进而仍能与外界保持相对正常的通信。例如，对于电梯环境、实验室环境等，本申请的通信装置均具有较佳的通信性能。

可选的，上述本体的轮廓可以由装置的壳形成，也可以由装置内具有信号接收功能的部件形成；上述信号发射元件可以是天线、蓝牙发送模块、WiFi发送模块等；可选的，上述信号接收元件可以是天线、蓝牙接收模块、WiFi接收模块等。可选的，上述通信装置可以是手机、笔记本电脑、平板、智能穿戴设备等。

在一些实施方式中，上述电磁超表面的焦距范围包括0～300mm。如此，有利于更好地满足信号接收元件与本体之间的距离要求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。