一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元

1.本发明属于电磁结构技术领域，尤其涉及编码超表面。


背景技术：

2.自全息术被发明以来，以其优良的记录和再现目标信息的能力成为了完美再现物体三维图像的最有前途的技术。超表面的出现为亚波长尺度的全息图成像提供了一种新的媒介。以小型化和高集成化为目标的多通道超表面全息技术也越来越受到重视，并成为了目前超表面全息的研究热点。近年来，有许多多功能超表面全息技术被提出，并取得了巨大的成功。然而，超表面全息技术大多数仅在反射模式或透射模式下实现全息成像。比如：2020年提出的一种可以提供两个不同信息通道的双频带2位反射式超表面全息图，其编码单元包含两层矩形金属谐振器、两层介质基板和一层金属接地层。该超表面能够同时在低频和高频工作区域呈现“h”和“v”两个不同的图像。但是，以上方案仅能在反射空间实现双通道的全息成像，这造成了传输空间中电磁波资源的浪费。因此，为了满足对多功能和高速电磁设备日益增长的需求、提高电磁波资源利用率，将传输和反射电磁波的操纵功能集成到单个设备中，从而在全空间实现多功能超表面全息是十分必要和有意义的。
3.2021年提出了一种单层偏振相关的透射和反射集成式超表面，其数字编码单元由一个十字形介质基板和一对印刷在介质基板上的金属贴片组成。该超表面可以在两个正交的线偏振状态下，分别在传输和反射区域获得两个独立的焦点。
4.尽管多功能超表面全息已经取得了很大成就，但是在全空间实现多功能数字编码超表面全息仍然有很大的发展空间，如：目前关于全空间超表面全息的大部分报道仅能实现双功能，这不利于电磁设备的功能多样化发展。因此，为了降低设备复杂度，避免电磁资源浪费，研究一种高性能、单层、多功能(两个以上通道)的透射-反射集成式超表面具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决现有超表面复杂度高、电磁资源浪费、仅能实现双功能，不利于电磁设备的功能多样化发展的问题，现提供一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元。
6.一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元，包括依次层叠设置的顶层、介质层2和底层，顶层为中心开有圆孔的矩形金属片1-1，圆孔中设有两个与其同心嵌套的裂环谐振器1-2，底层包括圆形金属片3-1和“c”形金属环3-2，圆形金属片3-1位于“c”形金属环3-2环内，且二者同心设置，底层中圆形金属片3-1的圆心和顶层中圆孔的圆心相互正对。
7.进一步的，上述裂环谐振器1-2为圆环形金属片，该圆环形金属片上设有镜像对称的两个开口，两个裂环谐振器1-2上的开口中轴线相互垂直。
8.进一步的，上述介质层2为边长12mm的正方形介质基板，介质层2的相对介电常数εr＝2.2，损耗角δ的正切值tanδ＝0.001，厚度h＝2mm。
9.进一步的，上述顶层和底层均为铜片，铜片厚度为0.018mm、导电率为5.8
×
107sm-1
。
10.进一步的，上述顶层中心的圆孔半径r1＝5.7mm，圆环形金属片的环宽w＝0.5mm。
11.进一步的，上述圆形金属片3-1的半径r4＝5.1mm，“c”形金属环3-2的外径r5＝5.7mm。
12.进一步的，单层编码超表面单元在反射模式下，当x极化电磁波垂直照射单层编码超表面单元，位于外圈的裂环谐振器1-2半径r2变化时，单层编码超表面单元在频率13ghz处的反射幅度为0.9、反射相位相差为180
°
，实现1比特相位编码的“t”形全息图像重构。
13.进一步的，单层编码超表面单元在反射模式下，当y极化电磁波垂直照射单层编码超表面单元，位于内圈的裂环谐振器1-2半径r3变化时，单层编码超表面单元在频率13ghz处的反射幅度为0.9、反射相位差为300
°
，实现2比特相位编码的单焦点重构。
14.进一步的，单层编码超表面单元在传输模式下，当激励波为左旋圆极化电磁波时，通过调整“c”形金属环3-2的旋转角度θ1，在频率7.5ghz处单层编码超表面单元的传输幅度为0.45、传输相位差为250
°
，实现2比特传输相位编码的四焦点重构。
15.进一步的，单层编码超表面单元在传输模式下，当激励波为左旋圆极化电磁波时，通过调整裂环谐振器1-2的旋转角度θ，单层编码超表面单元在频率10ghz处的传输幅度为0.4、传输相位差为360
°
，实现3比特传输相位编码的双焦点重构。
16.本发明提供了一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元，由两层金属层组成，金属层印刷在单个介质基板的上下两侧。根据传播相位原理，通过改变顶层金属的结构参数，能够在反射模式下独立控制线极化波；通过在介质基板的两侧旋转不同的金属结构，能够在透射模式下独立控制圆极化波。在不同频率处分别实现“单焦点”、“四焦点”、“双焦点”和“t”四种不同的成像功能，并通过控制电磁波的极化状态调控其在透射模式或反射模式下工作。本发明在同一编码超表面中实现了四个不同图像的电磁重构，在极化利用率和空间资源利用率等方面具有优势，突破了全空间超表面由多层介质级联结构实现，存在体积大、成本高、加工困难，不利于电磁器件与系统集成这一技术瓶颈，适用于多通道信息处理和多功能成像系统中。
附图说明
17.图1为单层编码超表面单元的三维结构示意图；
18.图2为单层编码超表面单元的顶层结构示意图；
19.图3为单层编码超表面单元的底层结构示意图；
20.图4和图5分别为r2变化时单层编码超表面单元的反射幅度和反射相位曲线图；
21.图6和图7分别为r3变化时单层编码超表面单元的反射幅度和反射相位曲线图；
22.图8和图9分别为θ1变化时单层编码超表面单元的传输幅度和传输相位曲线图；
23.图10和图11分别为θ变化时单层编码超表面单元的传输幅度和传输相位曲线图；
24.图12和图13分别为x极化波激励和y极化波激励时，13ghz处单层编码超表面单元的全息图像仿真图；
25.图14和图15分别为左旋圆极化波激励时，10ghz和7.5ghz处单层编码超表面单元的全息图像仿真图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.具体实施方式一：参照图1、2和3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元，包括依次层叠设置的顶层、介质层2和底层。
28.顶层为中心开有圆孔的矩形金属片1-1，圆孔中设有两个与其同心嵌套的裂环谐振器1-2。具体的，裂环谐振器1-2为圆环形金属片，该圆环形金属片上设有镜像对称的两个开口，两个裂环谐振器1-2上的开口中轴线相互垂直。两个裂环谐振器1-2的相对位置不变，工作时，两个裂环谐振器1-2作为一个整体进行旋转。两个裂环谐振器1-2所在位置初始状态如图2所示，两个裂环谐振器1-2的开口中轴线分别与矩形金属片1-1的两个中线相重合，以此为起始状态进行逆时针旋转，旋转的角度由θ表示。
29.底层包括圆形金属片3-1和“c”形金属环3-2，圆形金属片3-1位于“c”形金属环3-2环内，且二者同心设置。底层中圆形金属片3-1的圆心和顶层中圆孔的圆心相互正对。
30.介质层2为边长12mm的正方形介质基板，介质层2的相对介电常数εr＝2.2，损耗角δ的正切值tanδ＝0.001，厚度h＝2mm。
31.本实施方式在实际应用时，顶层和底层均为铜片，铜片厚度为0.018mm、导电率为5.8
×
107sm-1
。顶层中心的圆孔半径r1＝5.7mm，圆环形金属片的环宽w＝0.5mm。圆形金属片3-1的半径r4＝5.1mm，“c”形金属环3-2的外径r5＝5.7mm。
32.具体实施方式二：参照图4至图11具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元作进一步说明。在本实施方式中所述一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元的工作模式包括反射模式和传输模式。
33.单层编码超表面单元在反射模式下，当x极化电磁波垂直照射单层编码超表面单元，位于外圈的裂环谐振器1-2半径r2变化时，单层编码超表面单元的幅度和相位曲线如图4和5所示。能够看出，单层编码超表面单元在频率13ghz处的反射幅度为0.9、反射相位相差为180
°
，实现1比特相位编码的“t”形全息图像重构。具体的，r2＝3.3mm时，单层编码超表面单元被编码为“0”状态；r2＝3.6mm时，单层编码超表面单元被编码为“1”状态。
34.单层编码超表面单元在反射模式下，当y极化电磁波垂直照射单层编码超表面单元，位于内圈的裂环谐振器1-2半径r3变化时，单层编码超表面单元的幅度和相位曲线如图6和7所示。单层编码超表面单元在频率13ghz处的反射幅度为0.9、反射相位差为300
°
，实现2比特相位编码的单焦点重构。具体的，r3＝4.4mm时，单层编码超表面单元的反射幅度为1，相位是-400
°
，单层编码超表面单元被编码为“00”状态；r3＝3.4mm时，单层编码超表面单元的反射幅度为0.9，相位是-483
°
，单层编码超表面单元被编码为“01”状态；r3＝3.6mm时，单层编码超表面单元的反射幅度为1，相位是-605.7
°
，单层编码超表面单元被编码为“10”状态；r3＝4mm时，单层编码超表面单元的反射幅度为1，相位是-700
°
，单层编码超表面单元被编码为“11”状态。
35.对于传输模式，基于几何相位原理，调制单元结构的旋转角度(θ和θ1)时，编码单元能够实现传输空间的任意电磁波前控制。具体如下：
36.单层编码超表面单元在传输模式下，当激励波为左旋圆极化电磁波时，如图8和图9所示，通过调整“c”形金属环3-2的旋转角度θ1，在频率7.5ghz处单层编码超表面单元的传输幅度为0.45、传输相位差为250
°
，实现2比特传输相位编码的四焦点重构。具体的，θ1＝0
°
时，单层编码超表面单元的传输相位是-251
°
，单层编码超表面单元被编码为“01”状态；θ1＝36
°
时，单层编码超表面单元的传输相位是-170
°
，单层编码超表面单元被编码为“00”状态；θ1＝96
°
时，单层编码超表面单元的传输相位是-420
°
，单层编码超表面单元被编码为“11”状态；θ1＝132
°
时，单层编码超表面单元的传输相位是-342
°
，单层编码超表面单元被编码为“10”状态。
37.单层编码超表面单元在传输模式下，当激励波为左旋圆极化电磁波时，如图10和图11所示，通过调整裂环谐振器1-2的旋转角度θ，单层编码超表面单元能够在频率10ghz处的传输幅度为0.4、传输相位差为360
°
，实现3比特传输相位编码的双焦点重构。具体的，θ＝168
°
时，单层编码超表面单元被编码为“110”状态；θ＝144
°
时，单层编码超表面单元被编码为“111”状态；θ＝132
°
时，单层编码超表面单元被编码为“000”状态；θ＝108
°
时，单层编码超表面单元被编码为“001”状态；θ＝84
°
时，单层编码超表面单元被编码为“010”状态；θ＝60
°
时，单层编码超表面单元被编码为“011”状态；θ＝36
°
时，单层编码超表面单元被编码为“100”状态；θ＝12
°
时，单层编码超表面单元被编码为“101”状态。
38.综合以上具体实施方式一和二，本发明所述的一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元，利用被铜环绕的两个双裂环金属谐振器超表面结构，基于传播相位原理和超表面结构的各向异性特性，在x和y极化电磁波激励时，超表面在反射工作模式于13ghz频率处实现基于1位相位编码的全息图像“t”和基于2位相位编码的“单焦点”。采用双裂环金属谐振器、圆型贴片和c型金属结构相结合的超表面结构，基于几何相位原理和超表面结构的各向异性特性，在左旋圆极化波激励时，超表面在传输工作模式于10ghz频率处实现了基于3位相位编码的“双焦点”和7.5ghz处实现了基于2位相位编码的“四焦点”。
39.具体实施方式三：参照图12至图15具体说明本实施方式，本实施方式是含有具体实施方式一所述的一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元的编码超表面。本实施方式中，以一个单层编码超表面单元为一个周期，多个单层编码超表面单元呈周期性阵列紧密排布。
40.本实施方式通过将上述单层编码超表面单元有效地集成在一起，能够在反射模式下独立控制线极化波，在透射模式下独立控制圆极化波。当x极化波激励时，通过调整位于外圈的裂环谐振器1-2半径r2，使得编码超表面能够在反射工作模式于13ghz频率处实现电磁成像，仿真结果如附图12所示，从图中可以看出，两个字母“t”被清晰地重构于近场区域。当y极化波激励时，通过调整位于内圈的裂环谐振器1-2半径r3，使得编码超表面能够在反射工作模式于13ghz处实现“单焦点”，仿真结果如附图13所示。当左旋圆极化波激励时，通过调整裂环谐振器1-2的旋转角度θ，编码超表面能够在传输工作模式于10ghz频率处实现“双焦点”，仿真结果如附图14所示。当调整“c”形金属环3-2的旋转角度θ1，编码超表面能够在传输工作模式于7.5ghz频率处实现“四焦点”，仿真结果如附图15所示。
41.本实施方式提出的含有一种用于四通道全息成像的单层编码超表面单元的编码
超表面，其顶部和底部分别为利用传输相位原理和几何相位原理的双裂环谐振器结构及圆形和c形金属接地板。通过将单层编码超表面单元有效地集成在一起，实现了新型单层全空间编码超表面。本实施方式利用极化和工作模式(传输模式/反射模式)自由度，同时将传输相位和几何相位相结合实现了全空间电磁波相位的独立控制，并且四个工作模式互不干扰，具有较好的隔离度。
42.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。