全空间超表面圆极化波幅相联合调控器件及其设计方法

本发明属于电磁超表面，具体为一种全空间超表面圆极化波幅相联合调控器件及其设计方法。

背景技术：

1、超表面由人工亚波长单元经过周期和非周期排列组成，具备自然材料所不具备的电磁属性，能够灵活操控电磁波极化、相位和幅度，在通讯、信息和国防领域具有广泛应用前景。为满足电磁器件集成化要求，有学者提出了多功能超表面概念，即将多个功能集成在单一超表面上，进一步扩大了超表面信息容量。然而，由于多功能超表面设计相对复杂，大部分多功能超表面主要是基于传输相位实现线极化波调控模式。目前，尽管出现了一些关于圆极化波调控的多功能超表面，但是圆极化波幅度调控的难度限制了超表面调控自由度，严重制约着超表面功能的进一步扩展。因此，有学者就通过双几何相位方法实现了旋向通道下幅度和相位的联合调控。

2、然而，这种幅度、相位联合调控理论实现难度以及设计成本高，且基于该理论所实现的多功能超表面仅仅工作在反射或者透射模式下，在透反射模式下实现幅度、相位联合调控的多功能超表面能够极大拓展电磁功能，其设计理论和方法亟待挖掘和发展。近年来，与连续全相位覆盖不同，数字编码超表面引起了学术界广泛的兴趣，仅需有限相位情况，设计难度大大降低，拓宽了超表面应用范围与前景，然而大部分编码超表面仅注重于相位编码而忽视了幅度编码调控，有望将幅度编码应用到超表面中以实现更灵活的电磁调控。

技术实现思路

1、本专利提出一种全空间超表面圆极化波幅相联合调控器件的设计方法，所述全空间超表面圆极化波幅相联合调控器件的设计方法包括以下步骤：

2、步骤1，将经典带通频率选择表面结构引入超表面，构建具有透反射隔离模式的超表面；

3、步骤2，将双开口金属谐振环结构引入具有透反射隔离模式的超表面，构建低频f1处的高效反射模式的超表面；

4、步骤3，将改进h型金属贴片结构引入低频f1处的高效反射模式的超表面，构建高频f2处的高效透射模式的超表面；

5、步骤4，将保留或移除金属谐振结构的方式引入高频f2处的高效透射模式的超表面，构建左旋圆极化波反射四笔形波束和右旋圆极化波透射四涡旋波束的超表面；

6、步骤5，合成最终具有透、反射一体的三层结构，并评估透、反射模式的隔离度。

7、更近一步地，在步骤1中，所述全空间超表面圆极化波幅相联合调控器件包括m*m个具有不同结构参数的超表面单元，超表面单元为方形且周期均为p，包括自上而下设置的第一金属层、第一介质板、第二金属层、第二介质板和第三金属层。

8、更近一步地，在步骤1中，所述透反射隔离模式的超表面具有带通和带阻性能更好的圆环缝隙结构作为频率选择层，用于在低频f1处充当带阻滤波器功能，在高频f2处充当带通滤波器功能；

9、所述圆环缝隙结构设置在第二金属层，外径设置为r2，槽的内径设置为r3。

10、更近一步地，在步骤2中，所述双开口金属谐振环设置在第一金属层上，宽度为w，内径为r1，方位角度为θ1，双环末端之间的间隔为g，所述间隔设置于双开口金属谐振环x方向上的两侧；

11、所述双开口金属谐振环用于实现右旋圆极化波透射四涡旋波束的超表面功能。

12、更近一步地，在步骤3中，所述改进h型金属贴片结构同时设置在第一金属层和第三金属层上；通过同时改变上下两层改进h型金属贴片的方位角度θ2，在相对应的交叉极化通道内可以实现360°相位调控；

13、所述上下两层改进h型金属贴片用于实现左旋圆极化波反射四笔形波束的超表面功能

14、所述改进h型金属贴片包括h型结构和设置在h型结构四角沿x方向向外延伸的线段，沿x方向向外延伸的线段长度为l1，h型结构中心沿x方向的内侧线段长度为l2，两侧沿y方向的竖线长度为l3。

15、更近一步地，在步骤4中，所述左旋圆极化波反射四笔形波束采用了叠加原理来计算其幅度和相位分布，叠加过程可表示为：

16、

17、efinal(x,y)代表最终超表面上每个单元的复振幅，其绝对值代表超表面的幅度分布，角度值代表超表面的相位分布；nn代表了所需实现功能的个数，也代表所需叠加的幅度和相位分布个数；nn代表所需实现功能的序号，ann(x,y)为第nn个功能所需的幅度分布，为第nn个功能所需的相位分布，(x,y)为二维平面坐标系内x方向第x，y方向第y个单元；

18、对于波束偏折功能，相位分布满足以下关系：

19、

20、是自由空间波矢，λ为工作频率所对应波长；是第(i,j)单元的反射相位；xx,y和yx,y是第(x,y)单元在直角坐标系中距x轴和y轴的距离；θ和分别是反射波的俯仰角和方位角；ψ是超表面单元的初始相位，设置为0°。

21、更近一步地，在步骤4中，所述右旋圆极化波透射四涡旋波束对应位置(x，y)处的电场复振幅叠加可表示为：

22、

23、其中，n是产生的涡旋波束总数量，θn和分别为第n个波束指向的俯仰角和方位角，f表示工作频率，an是第n个波束的功率系数，用于调节每个波束强度，c指光速，ln表示涡旋波束的拓扑荷数。

24、更近一步地，在步骤4中，保留或移除相应金属谐振结构实现1或0的归一化反/透射率，完整超表面单元对应的编码是“1-1”，仅保留双开口金属谐振环结构对应的编码是“0-1”，仅保留改进h型金属贴片结构对应的编码是“1-0”，空白单元则对应“0-0”；

25、根据ann(x,y)中(x,y)处超表面单元对应的归一值作为(x,y)处反射功能对应的值，根据an矩阵中第x行，第y列的归一值作为(x,y)处透射功能对应的值，并对相应金属谐振结构进行保留或移除。

26、还提供了一种全空间超表面圆极化波幅相联合调控器件，所述全空间超表面圆极化波幅相联合调控器件由m*m个具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距周期延拓组成；

27、所述超表面单元为方形且周期均为p；超表面单元自上而下由三层金属结构和两层介质板交替层叠构成，自上而下分别为第一金属层、第一介质板、第二金属层、第二介质板和第三金属层；

28、所述第一金属层包括外部双开口金属谐振环和设置在双开口金属谐振环内部的改进h型结构；

29、所述第二金属层为设有圆环缝隙结构的金属板；

30、所述第三金属层为改进h型结构，其与第一金属层的改进h型结构完全相同且两者方位角度相同；

31、所述全空间超表面圆极化波幅相联合调控器件中各位置的超表面单元根据左旋圆极化波反射四笔形波束和右旋圆极化波透射四涡旋波束保留或移除相应金属谐振结构。

32、更近一步地，所述第一金属层和第三金属层的改进h型结构用于实现左旋圆极化波反射四笔形波束在相对应的交叉极化通道内的360°相位调控；

33、所述第一金属层的外部双开口金属谐振环用于实现右旋圆极化波透射四涡旋波束在相对应的共极化通道内的360°相位调控。

34、本发明达到的有益效果是：

35、本发明基于pancharatnam-berry(pb)相位、数字编码超表面理论，结合fss超表面提出了一款全空间超表面圆极化波幅度、相位联合调控集成器件。该超表面可以在带阻和带通两个互相高度隔离的频段内分别实现左旋圆极化反射波和右旋圆极化透射波的幅度和相位联合调控，实现了全空间多功能集成设计，进一步扩展了超表面信息通道数目、调控自由度和电磁空间调控范围，在国防和信息通讯领域有着重要潜在应用。

36、本发明通过保留或移除相应金属谐振结构实现1-bit幅度调控，以简单方式实现了低成本电磁参数调控；

37、本发明与反射型集成器件相比，该发明可以同时工作在反射和透射模式下，解决了馈源遮挡问题；

38、本发明采用三层金属结构，引入外部双开口金属谐振环与内部改进h型金属贴片结构，通过优化设计这些结构，巧妙实现了全空间超表面集成器件；

39、本发明通过优化外部双开口金属谐振环与内部改进h型金属贴片结构，降低了两者之间的串扰与耦合，实现了两个工作频率之间良好的隔离度。