一种相位可编程三维超材料单元的制作方法

本发明涉及超材料，更具体的是涉及一种相位可编程三维超材料单元。

背景技术：

1、随着科技的飞速发展，特别是在移动通信、雷达技术和光学应用领域，对电磁波进行精确控制的需求日益显著。传统的材料在这方面存在一系列限制，而超材料作为一项前沿技术，通过其独特的结构和性质，提供了一种革命性的解决方案。超材料的微观结构远小于所涉及的波长，使其具备调控电磁波的能力，涵盖了幅度、相位、极化和传播方向等多个方面。此外目前，超材料从空间层面可以分为二维超材料和三维超材料，其中二维超材料也被称为超表面。

2、可编程三维超材料是一种新型超材料，相较于超表面，由于在空间维度上的增加，具备更为复杂的拓扑结构和更多的电磁波调控手段。它能够在更广泛的电磁波带宽上实现更为精准的控制。由于可编程三维超材料搭载有控制器件，面对不同的使用场景，可主动施加控制信号来改变其对电磁波的电磁特性。与超表面基于pcb板加工方式不同，可编程三维超材料加工方法基于电子增材制造(ame)，可以增加超材料结构自由度。与传统的加工方法相比，电子增材制造技术具有更高的灵活性和精度，可以减少材料浪费和加工时间，同时也可以实现更复杂的结构和形状。

3、为了满足移动网络对覆盖、移动性、带宽和时延等多方面需求的兼顾，当前的移动网络普遍采用高低频协同的网络布局。然而，随着移动通信的进步，通信速率不断提升、带宽不断扩大，频段也逐渐向更高频率发展。这导致负责基础覆盖的频段与负责速率承载的频段之间的差距逐渐拉大，从而引发一系列问题，比如业务速率体验的不连贯和落差较大等。因此，亟需在中频范围内找到一个兼顾宽带、覆盖和容量的频段。6ghz包含的最大频率范围为5925-7125mhz(1.2ghz)，作为拥有1.2ghz连续大带宽的中频段频谱，是公认的后5g以及6g时代黄金频谱。2023年6月27日工信部发布新版《中华人民共和国无线电频率划分规定》，将其中的700mhz也即6425-7125mhz全部或者部分划分用于imt(国际移动通信，含5.5g/6g)应用。但是新划分的电磁波频段必将带来新的需求，市场需要性能优良，成本低廉的电磁超材料来实现通信全覆盖，因此，提出一种相位可编程三维超材料单元来解决上述问题很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：解决现有技术中相位可编程三维超材料单元不能精准控制电磁波的问题。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、一种相位可编程三维超材料单元，包括自上而下设置的三维结构层、介质衬底层和金属基板结构层；

4、所述三维结构层包括四个阶梯金属结构、两个金属馈线、两个方形金属贴片以及固定于方形金属贴片上的二极管，四个所述阶梯金属结构绕介质衬底层中心线呈等距环绕分布，两个所述方形金属贴片分别固定于四个阶梯金属结构上，所述二极管的两端固定于两个方形金属贴片上，两个所述金属馈线分别固定于四个阶梯金属结构的底部，所述阶梯金属结构、方形金属贴片、二极管以及金属馈线均贴附于介质衬底层上，所述金属基板结构层贴附于介质衬底层上。

5、进一步地，以所述相位可编程三维超材料单元上表面的中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，垂直于单元上表面向外为z轴正方向，水平向右为y轴正方向，竖直向下为x轴正方向，四个所述阶梯金属结构关于yoz平面镜像对称，且长边与yoz平面的夹角为θ，阶梯金属结构设置有n层阶梯且由单元中心向外逐级升高，每层阶梯的高度差均为d，阶梯步长为t，阶梯宽度为w1，阶梯金属结构靠近单元中心一端到单元中心点距离为s。

6、进一步地，四个所述四个阶梯金属结构高度h1、长度l1、夹角θ，且阶梯金属结构的高度、长度以及夹角分别满足h1＝n×d，l1＝n×t，30°≤θ≤60°。

7、进一步地，四个所述阶梯金属结构材质为高导电率金属。

8、进一步地，两个所述金属馈线为关于yoz平面镜像对称的长方体金属线，所述金属馈线的长、宽、高分别为p、wb、hs，两个所述金属馈线之间的距离为ls，且ls满足(s+l1)sinθ>ls>s×sinθ。

9、进一步地，两个所述方形金属贴片关于yoz平面镜像对称，两个所述方形金属贴片的长、宽、高分别为l2、w2、ht，两片所述方形金属贴片之间的距离为st。

10、进一步地，所述介质衬底层的长、宽，高分别为p、p、h2，紧贴于三维结构层的下侧面。

11、进一步地，所述二极管中心点与介质衬底层上表面的中心法线重合，所述二极管贴合在介质衬底层顶端，所述二极管的偏置电压通断状态分别为on状态和off状态。

12、进一步地，所述的金属基板结构层贴附于介质衬底层下方，所述金属基板结构层长、宽、高分别为p、p、h3，所述的金属基板结构层材质为高导电率金属。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

14、1、本发明设计了一种相位可编程三维超材料单元，通过二维材料到三维材料结构的改变，增加结构的空间自由度，通过三维结构层、介质衬底层和金属基板结构层的相互配合，提高了单元对于电磁波的调控能力；

15、2、本发明通过在相位可编程三维超材料单元上加装二极管，通过外部的fpga电路控制电流通断，可以对电磁波的反射相位进行实时编程调控，进而精准控制电磁波的传播方向，实现在多种工况下灵活使用；

16、3、本发明通过将相位可编程三维超材料单元中阶梯金属结构设计为阶梯状，使得单元可以符合电子增材制造(ame)工艺的要求，进而减少材料的加工损耗和提高加工精度，为相位可编程三维超材料单元的大规模生产提供减少生产成本。

技术特征：

1.一种相位可编程三维超材料单元，其特征在于：包括自上而下设置的三维结构层、介质衬底层和金属基板结构层；

2.根据权利要求1所述的一种相位可编程三维超材料单元，其特征在于：以所述相位可编程三维超材料单元上表面的中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，垂直于单元上表面向外为z轴正方向，水平向右为y轴正方向，竖直向下为x轴正方向，四个所述阶梯金属结构关于yoz平面镜像对称，且长边与yoz平面的夹角为θ，阶梯金属结构设置有n层阶梯且由单元中心向外逐级升高，每层阶梯的高度差均为d，阶梯步长为t，阶梯宽度为w1，阶梯金属结构靠近单元中心一端到单元中心点距离为s。

3.根据权利要求2所述的一种相位可编程三维超材料单元，其特征在于：四个所述阶梯金属结构的高度为h1、长度为l1、夹角为θ，且阶梯金属结构的高度、长度以及夹角分别满足h1＝n×d，l1＝n×t，30°≤θ≤60°。

4.根据权利要求3所述的一种相位可编程三维超材料单元，其特征在于：四个所述阶梯金属结构材质为高导电率金属。

5.根据权利要求4所述的一种相位可编程三维超材料单元，其特征在于：两个所述金属馈线为关于yoz平面镜像对称的长方体金属线，所述金属馈线的长、宽、高分别为p、wb、hs，两个所述金属馈线之间的距离为ls，且ls满足(s+l1)sinθ>ls>s×sinθ。

6.根据权利要求5所述的一种相位可编程三维超材料单元，其特征在于：两个所述方形金属贴片关于yoz平面镜像对称，两个所述方形金属贴片的长、宽、高分别为l2、w2、ht，两片所述方形金属贴片之间的距离为st。

7.根据权利要求1所述的一种相位可编程三维超材料单元，其特征在于：所述介质衬底层的长、宽，高分别为p、p、h2，所述介质衬底层紧贴于三维结构层的下侧面。

8.根据权利要求1所述的一种相位可编程三维超材料单元，其特征在于：所述二极管中心点与介质衬底层上表面的中心法线重合，所述二极管贴合在介质衬底层的顶端，所述二极管的偏置电压通断状态分别为on状态和off状态。

9.根据权利要求8所述的一种相位可编程三维超材料单元，其特征在于：所述的金属基板结构层贴附于介质衬底层下方，所述金属基板结构层的长、宽、高分别为p、p、h3，所述的金属基板结构层的材质为高导电率金属。

技术总结本发明公开了一种相位可编程三维超材料单元，相位可编程三维超材料单元自上而下共包括三层结构：三维结构层、介质衬底层和金属基板结构层，通过增加结构的空间自由度，提高了单元对于电磁波的调控能力，且三维结构使得相位可编程三维超材料单元的工作频段为5.9GHz～9GHz，覆盖了6GHz频谱(5925‑7125MHz)部分,为未来5.5G/6G通信奠定坚实基础，具有很强的实际应用背景，可以对电磁波的反射相位进行实时编程调控，进而精准控制电磁波的传播方向，实现在多种工况下灵活使用，进而减少材料的加工损耗和提高加工精度，为相位可编程三维超材料单元的大规模生产提供减少生产成本。技术研发人员：宋帅,符道临,熊伟受保护的技术使用者：杭州市钱塘区信息高等研究院技术研发日：技术公布日：2024/9/26