一种用于产生非共面分离波束的棋盘式石墨烯超表面
阅读说明：本技术 一种用于产生非共面分离波束的棋盘式石墨烯超表面 (Checkerboard type graphene super surface for generating non-coplanar separation wave beams ) 是由 杨锐 李佳成 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种用于产生非共面分离波束的棋盘式石墨烯超表面,其由M×N个石墨烯超表面单元周期性排布而成,石墨烯超表面单元包括上下层叠的第一介质板和第二介质板,第一介质板的上表面的一条对角线上印制有第一矩形石墨烯贴片,第二介质板的上表面印制有蚀刻了矩形缝隙第二矩形石墨烯贴片,第二介质板的下表面印制有金属地板；通过对部分第一矩形石墨烯贴片施加零费米能级同时对第二矩形石墨烯贴片施加非零费米能级能产生与同极化共面异常反射波束；通过对其余部分第二矩形石墨烯贴片施加零费米能级,同时对第一矩形石墨烯贴片施加非零费米能级能产生同极化异面异常反射波束,能够实现强度可调的非共面高极化纯度波束分离效果。(The invention provides a checkerboard type graphene super-surface for generating non-coplanar separation beams, which is formed by periodically arranging M multiplied by N graphene super-surface units, wherein each graphene super-surface unit comprises a first dielectric plate and a second dielectric plate which are stacked up and down, a first rectangular graphene patch is printed on one diagonal line of the upper surface of the first dielectric plate, a second rectangular graphene patch with rectangular gaps etched is printed on the upper surface of the second dielectric plate, and a metal floor is printed on the lower surface of the second dielectric plate; applying a zero Fermi level to a part of first rectangular graphene patches and simultaneously applying a non-zero Fermi level to second rectangular graphene patches to generate homopolarized coplanar abnormal reflected beams; by applying a zero Fermi level to the rest of the second rectangular graphene patches and applying a non-zero Fermi level to the first rectangular graphene patches, homopolarity and heteroplanar abnormal reflection beams can be generated, and the intensity-adjustable non-coplanar high-polarization purity beam separation effect can be achieved.)
技术领域
本发明属于超表面领域，涉及一种石墨烯超表面，具体涉及一种用于产生非共面分离波束的棋盘式石墨烯超表面，可用于电磁波束分离等领域。
技术背景
超表面作为一种新型人工电磁材料，通过对微单元结构进行设计，能够实现电磁波强度、极化、和传播方向的操纵。而通过将多种单元按一定的规律进行排布，组成棋盘式超表面，则能实现更复杂的电磁调控效果。例如，申请公布号为CN112216993A，名称为“一种超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面”的专利申请，公开了一种用于缩减RCS的超表面，其包含了两种微单元，每种微单元按5×5的规模组超级单元，两种超级单元通过间隔排列，产生低RCS的效果。现有的棋盘式超表面技术受限于单元之间的耦合问题，无法保证两种单元谐振状态的独立性，导致其只能通过将若干个同种单元组成超级单元，再进行组阵。而超级单元由于间距过大，导致其删瓣电平较高，该特性其对于RCS的缩减十分有利，但却无法实现高效的波束分离效果。
石墨烯作为一种二维平面碳结构，具有良好的导电率以及柔韧性，其电磁参数可通过费米能级进行控制。将石墨烯应用到超材料的设计上，能实现可重构的分波器设计，例如，申请公布号为CN111682319A，名称为“一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法”的专利申请，公开了一种基于石墨烯的编码超表面，其利用十字形的石墨烯超表面单元，能实现将入射波分离为两个对称的反射波束，且通过控制石墨烯超表面单元的相位分布，能改变分离波束指向。该方法的编码设置方式仅适用于垂直入，因而无法实现斜入射条件下的非共面波束分离。此外，该方法虽然能实现对分离波束指向的可重构控制，但由于采用单一种类的单元进行组阵，无法对分离波束的强度进行独立的调控，且其由于没有针对极化匹配进行设计，导致分离波束的极化纯度较低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种用于产生非共面分离波束的棋盘式石墨烯超表面，旨在实现分离波束的非共面特性和强度可重构特性，同时提高分离波束的极化纯度。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于产生非共面分离波束的棋盘式石墨烯超表面，包括M×N个周期性排布的石墨烯超表面单元，相邻石墨烯超表面单元之间的距离小于入射波工作波长的四分之一；所述石墨烯超表面单元包括正方形且上下层叠的第一介质板1和第二介质板2，所述第一介质板1的上表面的一条对角线上印制有第一矩形石墨烯贴片3，所述第二介质板2的上表面印制有第二矩形石墨烯贴片4，该第二矩形石墨烯贴片4两条长边中点的连线上蚀刻有矩形缝隙，该矩形缝隙的两条短边中点的连线与入射波平面的法线方向垂直，所述第二介质板2的下表面印制有金属地板5；当对超表面包含的H个超表面单元上的第一矩形石墨烯贴片3施加零费米能级，且对第二矩形石墨烯贴片4施加非零费米能级时，该H个石墨烯超表面单元呈现同极化电磁响应状态0，用于产生与入射波极化相同的共面异常反射波束；当对石墨烯超表面包含的其余M×N-H个石墨烯超表面单元上的第一矩形石墨烯贴片3施加非零费米能级，且对第二矩形石墨烯贴片4施加零费米能级时，该M×N-H个石墨烯超表面单元呈现交叉极化电磁响应状态1，用于产生与入射波极化相同的异面异常反射波束，H个同极化电磁响应状态0对应的石墨烯超表面单元和M×N-H个交叉极化电磁响应状态1对应的石墨烯超表面单元呈随机或交叉分布，组成棋盘式结构，其中M≥2，N≥2。
上述一种用于产生非共面分离波束的棋盘式石墨烯超表面，所述矩形石墨烯贴片3，其两条短边中点的连线与所在第一介质板1上表面的对角线重合。
上述一种用于产生非共面分离波束的棋盘式石墨烯超表面，所述矩形缝隙，其两条短边中点的连线与所在第二介质板2上表面的一组对边中点的连线重合。
上述一种用于产生非共面分离波束的棋盘式石墨烯超表面，所述第一介质板1，其厚度远小于第二介质板2的厚度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明由随机或交叉分布的H个同极化电磁响应状态0对应的石墨烯超表面单元和M×N-H个交叉极化电磁响应状态1对应的石墨烯超表面单元组成棋盘式结构，通过第二矩形石墨烯贴片两条长边中点的连线上蚀刻的矩形缝隙，能够降低石墨烯超表面单元间的耦合，使得单元能产生两种独立的电磁响应，实现分离波束的非共面特性。
2、本发明由于石墨烯超表面单元上的两块矩形石墨烯贴片施加有不同的费米能级，使得部分石墨烯超表面单元呈现同极化电磁响应状态，另一部分石墨烯超表面单元呈现交叉极化电磁响应状态，能产生极化匹配的效果，从而使得共面和异面分离波束具有较高的极化纯度特性。
3、本发明通过调整呈现同极化电磁响应状态的石墨烯超表面单元与呈现交叉极化电磁响应状态的石墨烯超表面单元的比例，可以实现分离波束的强度可重构特性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明石墨烯超表面单元的结构示意图。
图3是本发明在xy面以及yz面电磁波束不等幅分离的仿真结果图。
图4是本发明在xy面以及yz面电磁波束等幅分离的仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明包括M×N个周期性排布的石墨烯超表面单元，相邻石墨烯超表面单元之间的距离小于入射波工作波长的四分之一，以保证分离波束的低删瓣，且要求M≥2，N≥2。
参照图2，所述石墨烯超表面单元包括正方形且上下层叠的第一介质板1和第二介质板2。所述第一介质板1的上表面的一条对角线上印制有第一矩形石墨烯贴片3，其两条短边中点的连线与所在第一介质板1上表面的对角线重合，用于实现电场极化的正交转换的同时对相位进行调制。所述第二介质板2的上表面印制有第二矩形石墨烯贴片4，用于在保证电场极化不变的同时对相位进行调制。该第二矩形石墨烯贴片4两条长边中点的连线上蚀刻有矩形缝隙，用于增强场的局域效应，该矩形缝隙的两条短边中点的连线与入射波平面的法线方向垂直，以保证同极化谐振的效果。所述第二介质板2的下表面印制有金属地板5，用于实现场的反射。
当对超表面单元上的第一矩形石墨烯贴片3施加零费米能级，则该第一矩形石墨烯贴片3对电磁波呈现透明状态，此时对第二矩形石墨烯贴片4施加非零费米能级时，该第二矩形石墨烯贴片4与金属地板5构成谐振系统，呈现出同极化电磁响应状态0，用于产生与入射波极化相同的共面异常反射波束。当对超表面单元上的第二矩形石墨烯贴片4施加零费米能级，则该第二矩形石墨烯贴片4对电磁波呈现透明状态，此时对第一矩形石墨烯贴片3施加非零费米能级时，该第一矩形石墨烯贴片3与金属地板5构成谐振系统，呈现出交叉极化电磁响应状态1，用于产生与入射波极化正交的异面异常反射波束。对于所述的超表面单元而言，H个同极化电磁响应状态0对应的石墨烯超表面单元和M×N-H个交叉极化电磁响应状态1对应的石墨烯超表面单元呈随机或交叉分布，组成棋盘式结构，两种状态的石墨烯超表面单元谐振模式独立，其产生的共面异常反射波束和异面异常反射波束的强度与电磁响应状态0和1对应的石墨烯超表面单元的数量相关。上述两种电磁响应状态的石墨烯超表面单元所实现的相移φ分布遵循φ＝kr·r-ki·r的分布规律，其中r为该石墨烯单元中心所处的位置，kr与ki为石墨烯单元中心点位置处的入射波和反射波波矢。
所述第一介质板1，其厚度远小于第二介质板2的厚度，用于保证电磁响应状态0和电磁响应状态1的独立谐振效果。
本发明的超材料单元周期尺寸为12μm。第一矩形石墨烯贴片3长边长度8μm，短边长度为5μm。第二矩形石墨烯贴片3长边长度a＝13μm，短边长度b＝8μm，缝隙宽度w＝1μm。第一介质板1厚度为1μm，第二介质板2厚度为6.5μm。
以下结合仿真实验对本发明的技术效果作进一步说明。
1.仿真条件和内容：
采用CST Studio软件对棋盘式石墨烯超表面产生的非共面分离波束效果进行仿真，其实现在xy面以及yz面电磁波束不等幅分离的仿真验证如图3所示，其实现在xy面以及yz面电磁波束等幅分离的仿真验证如图4所示。
2.仿真结果分析：
图3为本发明电磁波束不等幅分离仿真在xz面以及yz面的仿真结果图，其中，横坐标为角度，纵坐标为强度，实线为xz面的分离波束强度分布，虚线为yz面的分离波束强度分布。该仿真设定电磁响应状态0和电磁响应状态1的两种石墨烯超材料单元数量均为200，其对15度的入射波能实现xz面以及yz面的波束分离，且同时实现波束指向调控。具体而言，其在xz面内波束指向为25度，其在yz面内波束指向为30度，两波束强度比为0.62：1，实现了对水平极化斜入射波的波束不等幅分离，且分离波束极化均为水平极化，极化纯度大于0.99。
图4为本发明电磁波束等幅分离仿真在xz面以及yz面的仿真结果图，其中，横坐标为角度，纵坐标为强度，实线为xz面的分离波束强度分布，虚线为yz面的分离波束强度分布。该仿真设定电磁响应状态0和电磁响应状态1的两种石墨烯超材料单元数量分别为250和150，其对15度的入射波能实现xz面以及yz面的波束分离，且同时实现波束指向调控。具体而言，其在xz面内波束指向为25度，其在yz面内波束指向为30度，两波束强度比为1：1，实现了对水平极化斜入射波的波束等幅分离，且通过控制0状态和1状态石墨烯超材料单元的数量，对分离波束的强度进行了重构。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，例如对反射单元具体实施形式，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。