一种宽带透射转极化超表面单元及设计方法

本发明涉及电磁超表面，具体涉及一种宽带透射转极化超表面单元及设计方法。

背景技术：

1、超表面是一种新型的人工二维亚波长电磁材料，通过对其表面的介质结构的参数，几何形状，排列方式进行调整，能够对空间电磁波的幅度和相位及偏振进行灵活的调控，从而实现多种光学功能。与传统电磁器件相比，具有功能多样、超薄、易于集成等特点。极化是电磁波的基本性质之一，它是指电磁波的电场强度矢量随时间变化的规律，电磁波的极化又可分为线极化、圆极化和椭圆极化。电磁波的极化特性在卫星通信、雷达接收抗干扰、航空航天和医疗等领域得到广泛应用。

2、人工电磁超表面，凭借其卓越的电磁调控性能与特性，为构建宽带、高效且超薄的极化转换器提供了一个新方法。同时，基于这种超表面的极化调控技术，在多个前沿领域如雷达散射截面缩减（rcs）、波前精细调控、隐身衣等都有很大的应用潜力和广泛的发展前景。根据功能机制的不同，超表面极化转换器件被划分为反射型与透射型两大类。反射型转极化器需要保证材料无损耗或者损耗比较低，在一定的频率上，可以近似认为电磁波实现了全反射，转换效率接近100%。透射型极化转换器则允许电磁波在通过超表面时发生极化转换，而不需要被完全反射。它们的设计需考虑材料的损耗和相位差等因素，以实现高效的极化转换。

3、随着无线通信技术的不断发展，对超表面单元的性能要求日益提高。特别是在宽带超表面单元的设计中，需要实现带宽灵活调控的能力。传统的设计方法往往依赖于人工经验和试错法，设计周期长且难以达到理想效果。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种宽带透射转极化超表面单元及设计方法，解决背景技术中提出的问题。

2、技术方案：本发明所述的一种宽带透射转极化超表面单元，设置为正方形，包括介质基板，介质基板设置有上层金属层和下层金属层，上层金属和下层金属层均包括一个不完整的矩形金属贴片和若干个金属枝节；其中，不完整的矩形金属贴片由一对完整的矩形金属贴片进行切角处理并同时在其内部挖掉四个矩形槽得到，下层金属则是上层金属的平移镜像；上下两层金属被八根金属通孔连接，每根金属通孔末端则通过一段金属枝节连接不完整的矩形金属贴片。

3、进一步的，超表面单元的边长约等于中心工作频率波长的二十分之七，超表面单元的厚度小于中心工作频率波长的十分之一。

4、进一步的，金属枝节为7个。

5、进步一的，（1）为f4b板材。

6、进一步的，将任意入射方位角φ的线极化波照射到超表面单元，透射线极化波均旋转90°且随着电磁波入射方位角的变化而保持稳定。

7、进一步的，超表面单元最高透射幅度高于0.95，相对带宽最高为20%。

8、本发明所述的一种基于深度学习的转极化器带宽可设计方法，基于深度学习对透射转极化超表面单元进行正向预测与逆向设计。

9、进一步的，包括以下步骤：

10、（s1）收集数据集：确定宽带超表面单元的结构参数，对结构参数划分范围并按均匀分布进行随机采样，利用电磁波数值仿真工具获取每组结构参数对应的电磁响应频谱，将仿真的结构参数和对应的电磁响应频谱收集起来并整理为数据集；

11、（s2）基于深度学习框架，训练正向预测神经网络：其中神经网络的输入是超表面单元的结构参数，输出是相应超表面单元的电磁响应频谱；

12、（s3）基于深度学习框架，训练逆向设计网络，将不同频点的不同相对带宽作为输入，网络自动生成对应的超表面单元的结构参数；将生成的结构参数分别放入正向预测网络和电磁仿真工具中，得到相应的预测和仿真电磁响应频谱。

13、进一步的，电磁响应频谱为线性s21参数曲线。

14、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：超表面可以实现较高的带宽，最高带宽可到20%，且带宽易调控。在工作带宽内，透射幅度均高于0.9，最高值可达到0.98。此外，该单元还具有尺寸小，厚度薄等特点；基于深度学习的转极化器带宽可设计方法，基于深度学习框架，对所述宽带透射转极化超表面单元进行正向预测与逆向设计，设计得到的相对带宽与目标相对带宽误差控制在2%以内，实现带宽灵活调控，提高了设计效率和性能，满足了不同应用场景下对带宽的需求。

技术特征：

1.一种宽带透射转极化超表面单元，其特征在于，超表面单元设置为正方形，包括介质基板（1），介质基板（1）设置有上层金属层和下层金属层，上层金属和下层金属层均包括一个不完整的矩形金属贴片（2）和若干个金属枝节（3）；其中，不完整的矩形金属贴片（2）由一对完整的矩形金属贴片进行切角处理并同时在其内部挖掉四个矩形槽得到，下层金属则是上层金属的平移镜像；上下两层金属被八根金属通孔连接，每根金属通孔末端则通过一段金属枝节连接不完整的矩形金属贴片（2）。

2.根据权利要求1所述的一种宽带透射转极化超表面单元，其特征在于，超表面单元的边长约等于中心工作频率波长的二十分之七，超表面单元的厚度小于中心工作频率波长的十分之一。

3.根据权利要求1所述的一种宽带透射转极化超表面单元，其特征在于，金属枝节为7个。

4.根据权利要求1所述的一种宽带透射转极化超表面单元，其特征在于，介质基板（1）为f4b板材。

5.根据权利要求1所述的一种宽带透射转极化超表面单元，其特征在于，将任意入射方位角φ的线极化波照射到超表面单元，透射线极化波均旋转90°且随着电磁波入射方位角的变化而保持稳定。

6.根据权利要求1所述的一种宽带透射转极化超表面单元，其特征在于，超表面单元最高透射幅度高于0.95，相对带宽最高为20%。

7.一种基于深度学习的转极化器带宽可设计方法，其特征在于，所述方法基于深度学习对透射转极化超表面单元进行正向预测与逆向设计。

8.根据权利要求7所述的一种基于深度学习的转极化器带宽可设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求7所述一种基于深度学习的转极化器带宽可设计方法，其特征在于，电磁响应频谱为线性s21参数曲线。

技术总结本发明公开了一种宽带透射转极化超表面单元及设计方法，超表面单元设置为正方形，包括介质基板，介质基板设置有上、下金属层，上、下金属层均包括一个不完整的矩形金属贴片和若干个金属枝节；设计方法是基于深度学习对透射转极化超表面单元进行正向预测与逆向设计，其中，基于深度学习框架，训练正向预测神经网络和逆向设计网络，将不同频点的不同相对带宽作为输入，网络自动生成对应的超表面单元的结构参数；将生成的结构参数分别放入正向预测网络和电磁仿真工具中，得到相应的预测和仿真电磁响应频谱本发明实现带宽灵活调控，提高了设计效率和性能，满足了不同应用场景下对带宽的需求。技术研发人员：丁国文,季宝国,陈琳豪,罗歆瑶受保护的技术使用者：南京信息工程大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14