阅读说明：本技术 一种用于调控电磁波传输的多功能编码超表面 (Multifunctional coding super surface for regulating and controlling electromagnetic wave transmission ) 是由 朱磊 董亮 李泰成 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：一种用于调控电磁波传输的多功能编码超表面,涉及编码超表面技术领域。本发明是为了解决传统编码超表面工作模式受限、功能有限的问题。本发明包括从上至下依次层叠设置的反射层、滤波层和两层传输层,相邻的两层之间均通过方形介质层连接,反射层为“十”字形结构,该“十”字形结构的一条主干的两端分别垂直设有一个条形体,滤波层包括对角开口的方形环和位于方形环几何中心的方形贴片,传输层包括两个呈“G”字形结构,两个“G”字形结构呈中心对称设置,反射层的几何中心、滤波层的几何中心、传输层的几何中心和所有介质层的几何中心同轴设置。在天线、波束分裂和全息图等领域具有重要的应用。(A multifunctional coding super surface for regulating and controlling electromagnetic wave transmission relates to the technical field of coding super surfaces. The invention aims to solve the problems of limited working mode and limited functions of the traditional coding super-surface. The invention comprises a reflecting layer, a filtering layer and two transmission layers which are sequentially stacked from top to bottom, wherein the two adjacent layers are connected through a square medium layer, the reflecting layer is of a cross-shaped structure, two ends of a trunk of the cross-shaped structure are respectively and vertically provided with a strip body, the filtering layer comprises a square ring with an opening at the opposite angle and a square patch positioned at the geometric center of the square ring, the transmission layers comprise two G-shaped structures, the two G-shaped structures are arranged in central symmetry, and the geometric center of the reflecting layer, the geometric center of the filtering layer, the geometric center of the transmission layer and the geometric centers of all the medium layers are coaxially arranged. Has important application in the fields of antennas, beam splitting, holograms and the like.)

一种用于调控电磁波传输的多功能编码超表面

技术领域

本发明属于编码超表面技术领域，尤其涉及电磁结构。

背景技术

超材料是一种具有周期或者非周期结构的三维人工媒质，它的属性与构成它的物质组分无关，仅与构成它的单元结构形式和组合方式有关。传统超材料研究通常采用等效媒质法进行分析，通过设计各种特殊的单元结构，使得超材料能够实现天然材料无法具有的电磁特性，进而调控电磁波传输，实现许多新奇功能。

但是，超材料的调控能力依赖于波在传播过程中产生的相位积累，这就要求超材料必须具有一定的厚度。这无疑增加了超材料的加工难度和损耗，特别是随着目前研究员们对于太赫兹甚至光频段器件的日益关注，超材料的这一弊端将更加明显。因此，随着对超材料研究的不断深入，现有技术中提出了超表面这一概念。超表面是一种二维平面结构，它的调控能力不再依赖于相位积累产生的相位差，而是在平面两侧引入相位/折射率的不连续变化，通过控制不同相位/折射率的排布方式实现对电磁波传输的灵活控制，进而实现许多不同的电磁功能。与超材料相比，超表面在继承了超材料强大的调控能力的同时其厚度大大降低，可以在亚波长尺度内实现极端的电磁参数，因此，超表面成为了近年来十分具有潜力的热门研究方向。

特别是，东南大学的崔铁军教授在2014年提出采用信息化的方式来设计超表面进一步促进了超表面研究的迅速发展。崔教授将基础单元结构产生的不同离散相位定义为不同的二进制状态，通过采用不同的编码序列即可实现不同的电磁功能，因而所设计的超表面被称为编码超表面。编码超表面不但减小了超表面设计和制造难度，同时也将各种数字信号处理技术引入到超表面设计中。自从编码超表面提出以来，在该领域内研究者们已经取得了较为***的成果，现有技术中利用编码超表面实现了异常偏折、聚焦、平面透镜、雷达散射截面缩减和贝塞尔涡旋波束等新型功能器件。但美中不足的是，编码超表面虽然可以高效率的实现这些功能，但是大部分编码超表面只能在半空间内对电磁波进行控制，即它们只能工作在传输模式或者反射模式下。虽然现有技术中也有编码超表面可以同时工作在传输/反射模式下，但这种编码超表面只能实现双向偏转或者双向聚焦，功能有限，不利于现代电子系统的高度集成。

发明内容

本发明是为了传统编码超表面工作模式受限、功能有限，无法满足现代电子系统在小型化、高集成化和多功能化等方面的发展需求问题，现提供能够实现3种不同功能、用于调控电磁波传输的多功能编码超表面。

一种用于调控电磁波传输的多功能编码超表面，包括从上至下依次层叠设置的反射层、滤波层和两层传输层，相邻的两层之间均通过方形介质层连接，反射层为“十”字形结构，该“十”字形结构的一条主干的两端分别垂直设有一个条形体；滤波层包括对角开口的方形环和位于方形环几何中心的方形贴片，方形贴片的一条边与方形环的一条边相互平行；传输层包括两个呈“G”字形结构，两个“G”字形结构呈中心对称设置；反射层的几何中心、滤波层的几何中心、传输层的几何中心和所有介质层的几何中心同轴设置，“G”字形结构的直边与“十”字形结构另一条主干相互平行，方形环的外边缘与相邻介质层的外边缘重合。

上述反射层、滤波层和两层传输层均为金属铜层。

上述介质层为厚度2mm、边长为9mm的正方形；介质层的相对介电常数为3.5，损耗角正切值为0.001。

上述反射层两条主干的长度不同，宽度相同、且均为0.9mm；条形体的长度为1.8mm、宽度为0.4mm。

上述滤波层中对角开口的方形环为两个开口相对的直角结构，该直角结构的两条边长度均为6mm、宽度均为0.9mm，两条边的外边缘分别与所邻介质层相邻的两条边缘重合，方形贴片的边长为5.6mm。

上述传输层中“G”字形结构包括半径为3.8mm的劣弧结构和长度为5mm的长条结构，长条结构的宽度为0.5mm，长条结构的一端与劣弧结构的一端相连、且与劣弧结构两端连线重合，长条结构的另一端与劣弧结构的另一端距离为1.55mm，两个“G”字形结构的长条结构相邻、且二者之间的距离为0.8mm。

上述反射层中两个条形体长边的中点与“十”字形结构的一条主干的两端中点相连。

上述滤波层开口连线与“十”字形结构中连接有条形体的主干夹角呈135°。

本发明所述的用于调控电磁波传输的多功能编码超表面，能够实现全空间电磁控制，在线极化波激励时工作在反射模式，实现波束***和雷达散射截面缩减功能；在圆极化波激励时工作在传输模式，实现涡旋波束功能。本发明在同一编码超表面中实现了多个不同的电磁功能，实现全空间的电磁控制，本发明突破了传统编码超表面功能有限，无法满足现代电子系统在小型化、高集成化和多功能化等方面的发展需求的技术瓶颈。有利于提升超表面的信息容量，具有集成度高、成本低、尺寸小等优点，在天线、波束***和全息图等领域具有重要的应用。

附图说明

图1为多功能编码超表面的三维示意图；

图2为顶层单元的平面结构图；

图3为底层单元的平面结构图；

图4为中层单元的平面结构图；

图5为顶层单元的L_x改变时的相位曲线图；

图6为顶层单元的L_x改变时的振幅曲线图；

图7为顶层单元的L_y改变时的相位曲线图；

图8为顶层单元的L_y改变时的振幅曲线图；

图9为底层单元的方位角θ改变时的相位曲线图；

图10为底层单元的方位角θ改变时的振幅曲线图；

图11为滤波层的反射曲线图；

图12为滤波层的传输曲线图；

图13为x极化波激励下，编码超表面在16GHz处的二维远场辐射图；

图14为y极化波激励下，编码超表面在19GHz处的二维远场辐射图；

图15为圆极化波激励下，编码超表面在11.7GHz处的近场振幅分布图；

图16为圆极化波激励下，编码超表面在11.7GHz处的近场相位分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于调控电磁波传输的多功能编码超表面，包括三层介质层和四层金属铜层，四层金属铜层分别为从上至下依次层叠设置的反射层、滤波层和两层传输层，相邻的两层之间均通过正方形的介质层连接。

如图2所示，顶层单元包括一个介质层和位于该介质层上的反射层。反射层为利用传输相位原理编码的“十”字形结构，该“十”字形结构的一条主干的两端分别垂直设有一个条形体，反射层中两个条形体的长边中点与“十”字形结构的一条主干的两端中点相连。其中，反射层两条主干的长度不同，宽度W₁相同、且均为0.9mm；条形体的长度S₁为1.8mm、宽度W₂为0.4mm。反射层工作于反射模式。

如图4所示，中层单元包括一个介质层和位于该介质层上的滤波层。滤波层包括对角开口的方形环和位于方形环几何中心的方形贴片，方形贴片的一条边与方形环的一条边相互平行。其中对角开口的方形环为两个开口相对的直角结构，该直角结构的两条边长度(S₂和S₃)均为6mm、宽度W₃均为0.9mm。直角结构两条边的外边缘分别与所邻介质层相邻的两条边缘重合。方形贴片的边长(S₄和S₅)为5.6mm。滤波层开口连线与“十”字形结构中连接有条形体的主干夹角呈135°。滤波层用于在低频带实现高效传输，在高频带实现高效反射。

如图3所示，底层单元包括一个介质层和分别位于该介质层上、下表面的两个传输层。传输层包括利用几何相位原理编码的双“G”字形结构，两个“G”字形结构(以介质层的几何中心为对称中心)呈中心对称设置(两个“G”字形结构首尾和左右均相反)。传输层中“G”字形结构包括半径R为3.8mm的劣弧结构和长度S₆为5mm的长条结构，长条结构的宽度W₄为0.5mm。所述长条结构与劣弧结构的一端相连、且与劣弧结构两端连线重合，长条结构的另一端与劣弧结构的另一端距离为1.55mm，两个“G”字形结构的长条结构相邻、且二者之间的距离为0.8mm。传输层工作于传输模式。

如图1所示，反射层的几何中心、滤波层的几何中心、传输层的几何中心和所有介质层的几何中心同轴设置，“G”字形结构的直边与“十”字形结构另一条主干相互平行，方形环的外边缘与相邻介质层的外边缘重合。

介质层为厚度2mm、边长(Px和Py)为9mm的正方形结构；介质层的相对介电常数为3.5，损耗角正切值为0.001。

基于上述结构，对于垂直入射的x极化电磁波，当顶层单元中“十”字形结构一条主干(连接有条形体的主干)的长度L_x变化时，其相位和幅度响应如图5和图6所示。从图中可知当L_x取值分别为4.2mm和4.6mm时，顶层单元能够在16GHz附近实现180°的相位差，同时在整个工作频带内反射系数均大于0.94。

对于垂直入射的y极化电磁波，当顶层单元中“十”字形结构另一条主干的长度L_y变化时，其相位和幅度响应如图7和图8所示。从图中可知当L_y取值分别为4.0mm和4.4mm时，顶层单元能够在19GHz附近实现180°的相位差，同时其反射系数在工作频带内仍大于0.94。

而对于垂直入射的圆极化波，当底层单元的方位角θ变化时，其相位和幅度响应如图9和图10所示。从图中能够看出，底层单元的方位角每变化22.5°，相位则相应变化45°。同时，在11.7GHz处，对应的传输系数达到峰值0.7，实现高效传输。

为了将上述三个功能集成到同一超表面中，在反射层和传输层的中间***了一个滤波层，在10GHz～13GHz频段内，滤波层的反射系数低(小于0.6)，传输系数高(大于0.77)。而在13GHz～22GHz频率范围内，滤波层的反射系数高(接近1)，传输系数低(小于0.2)，在整个工作频带(10GHz～22GHz)呈现出低频带传输电磁波，高频带反射电磁波的电磁特性，实现了滤波功能，仿真结果如图11和图12所示。

因此，通过将上述三个单元结构有效地集成在一起，能够在线极化和圆极化波激励时，在不同频率处实现3个不同的功能。综上所述，本实施方式利用上述三个单元结构设计了一种能够实现波束***、雷达散射截面缩减和涡旋波束的多功能编码超表面。当激励源为x极化波时，通过调整L_x构造编码00110011…，该编码超表面能够在反射工作模式于16GHz频率处实现双波束功能，结果如图13所示。从图中能够看出，两个对称的波束出现在远场辐射图中。当激励源为y极化波时，通过调整L_y构造随机相位编码，该编码超表面能够在反射工作模式于19GHz处实现雷达散射截面缩减功能，结果如图14所示。从图中能够看出，入射能量被反射到多个不同方向上，镜面反射大大降低，实现了雷达散射截面缩减功能。当激励源为圆极化波时，通过改变底层单元的方位角θ构造螺旋编码，该编码超表面可以在传输工作模式于11.7GHz处产生法向涡旋波束，结果如图15和图16所示。从图15中能够看出涡旋波束的电场分布大致呈环形，同时图16表明涡旋波束的模式数为l＝1，证实了涡旋波束的有效性。

本实施方式所述的超表面能够在线极化波和圆极化波激励时分别实现低串扰的双波束、雷达散射截面缩减和涡旋波束三个功能。本发明利用极化和工作模式(传输模式/反射模式)自由度，同时使用滤波器实现低频带高效传输而高频带高效反射，通过级联多层超表面实现了3个功能的独立控制，并且三个功能互不干扰，具有较好的隔离度。