全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面

本发明涉及超构表面材料，具体涉及一种全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面。

背景技术：

1、超构表面在调节电磁波的各种参数方面，具有非常强大的功能。为了更灵活调控电磁波，2014年，崔铁军院士提出了数字编码和可编程超构表面的概念，以数字化方式描述不同响应的晶胞，极大地简化了超构表面设计及优化过程，并且，通过与数字信号处理中的算法相结合，为无线通信发展提供了更广阔的空间，而且可以通过香农熵定理揭示编码模式与辐射模式之间的关系；此外，还可以通过在二维平面上预先设计不同的编码序列，从而产生预期功能的传输/反射阵，实现漫射散射、涡旋光束、及可编程全息图等奇异现象。

2、研究表明，可重构和可编程(有源)超构表面可以实现不同电磁功能，但通常需要复杂的设计和控制系统，这将增加系统成本和损耗。除了有源超构表面(activemetasurfaces,ams)，大多数无源超构表面(passive metasurfaces,pms)只能完成某种特定的电磁功能，而基于pms实现多种功能仍然存在挑战。已报道的pms通过改变入射波的极化状态、螺旋度和频率等，实现双功能各向异性超构表面，然而大多带宽较窄。此外，还报道了一些用于全空间控制电磁波的双功能或多功能pms，它们通过改变入射波的极化状态、传播方向或频率来同时操纵传输和反射波的波前，使得电磁超构表面(electromagneticmetasurfaces,ems)的传输或反射波在不同的频率点或频段表现出不同功能。然而，当前大多数已有的研究主要集中在单极化通道的传输或反射波的幅度或相位的调控上，而针对同一频率范围内，全空间双极化通道传输及反射波的幅度和相位同时调控的研究比较少，造成多功能圆极化、双极化及幅度、相位同时调控的应用受限。

技术实现思路

1、本发明所要解决的是现有超构表面的问题，其目的在于提供一种可实现全空间双极化通道传输及反射波独立调控的编码超构表面，旨在实现在同一频率范围内，对全空间双极化通道传输及反射波的幅度和相位进行独立调控。

2、为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、与现有技术相比，本发明基于双极化通道的空间幅度及相位分布函数，提出了一种全空间双极化通道传输及反射波的幅度与相位响应独立调控编码超构表面，由若干晶胞阵列构成，所述晶胞包括4层介质基板层和5层金属层，4层所述介质基板层均为长宽尺寸相同的矩形，第一介质基板层至第四介质基板层依次平行设立，5层所述金属层和4层所述介质基板层分别间隔布置且紧密相贴，第一金属层至第五金属层按功能划分为顶层接收贴片、接收地面、中间移相层、辐射地面和底部辐射贴片，第一介质基板层与第四介质基板层厚度相同，第二介质基板层与第三介质基板层厚度相同。

4、其中，所述介质基板层的材质为rogers450b，介电常数εr＝3.45，损耗正切tanδ＝0.0037。

5、其中，所述顶层接收贴片和所述底部辐射贴片的大小和形状保持一致，顶层接收贴片和底部辐射贴片的中心分别与对应介质基板层中心完全重合，所述顶层接收贴片和所述底部辐射贴片的两个馈电位置不同，分别设置在所述顶层接收贴片和所述底部辐射贴片的对称轴x'、y'上，以保证x、y极化电磁波的透射波极化交叉转换。

6、其中，所述中间移相层中设置有两条带状传输线，两条所述带状传输线的长度分别为la及lb，两条带状传输线均为拐角切角传输线，每条带状传输线两端的金属过孔分别通过接收地面、辐射地面连接到顶层接收贴片和底层接收贴片。

7、其中，所述接收地面和所述辐射地面均设置有两个隔离孔，所述隔离孔避免与所述金属过孔直接相连。

8、其中，调节两条带状传输线长度la或lb，均能够在0-360°范围内调控传输相位，并可以量化为不同bit的传输相位。

9、其中，调节两条带状传输线高阻抗部分宽度，可以切换电磁波的传输或反射工作模式，并可以调控传输及反射波的幅度，两条所述带状传输线可以为阻抗一致的均匀传输线或宽度不同的高低阻抗传输线。

10、其中，调节宽度不同的高低阻抗传输线中高阻抗传输线的长度lc或ld，均能够在0-360°范围内调控反射相位，并可以量化为不同bit的反射相位。

11、本发明提供了一种全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，由若干晶胞阵列构成，这些晶胞的排列方式根据设计需求所决定，一般呈规则的矩形阵列，每个晶胞包括五层金属层和四层介质基板层，五层金属层和四层介质基板层依次间隔设置，五层金属层从前到后的布置顺序为顶层接收贴片、接收地面、中间移相层、辐射地面和底部辐射贴片，本发明通过调控中间移相层两条传输线长度及宽度等多个自由度，实现了全空间双极化通道内传输及反射波的幅度和相位独立调控，具体包括双极化波的传输、反射幅度和相位分别在0～1及0～360°范围内同步调控，分别对传输及反射相位进行2-bit及1-bit编码，并结合极化通道的独立空间相位分布函数，在上下两个半空间实现波束偏转、汇聚、涡旋波等功能。经过仿真验证了全空间双极化通道传输及反射波的幅度和相位调控的有效性。本发明提升了通信信道的容量和频谱效率，也为单一超构表面实现多样化功能集成提供了全新的设计思路。

技术特征：

1.一种全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，由若干晶胞阵列构成，其特征在于，

2.如权利要求1所述的全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，其特征在于，

3.如权利要求2所述的全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，其特征在于，

4.如权利要求3所述的全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，其特征在于，

5.如权利要求4所述的全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，其特征在于，

6.如权利要求5所述的全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，其特征在于，

7.如权利要求6所述的全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，其特征在于，

8.如权利要求7所述的全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，其特征在于，

技术总结本发明涉及超构表面材料技术领域，具体涉及一种全空间双极化通道传输及反射波独立调控编码超构表面，由若干晶胞阵列构成，每个晶胞包括五层金属层和四层介质基板层，本发明通过调控金属层中的中间移相层两条传输线长度及宽度等多个自由度，并基于双极化通道的空间幅度及相位分布函数，实现了全空间双极化通道内传输及反射波的幅度和相位独立调控，具体包括x及y极化波从上下两个半空间照射到超构表面时，传输、反射波的幅度和相位分别在0～1及0～360°范围内调控，分别对传输及反射相位进行2‑bit及1‑bit编码，并结合极化通道独立空间相位分布函数，在上下两个半空间中实现波束偏转、汇聚、涡旋波等功能。技术研发人员：张顺岚,曹卫平受保护的技术使用者：桂林电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12