一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种透射‑反射梯度超表面单元的设计方法及应用，该方法包括以下步骤：单元采用4层正交级联贴片结构来实现，单元周期p＝p＝11mm，w1＝4mm，w2＝3mm，介质板采用厚度为h＝1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板，金属层厚度为0.018mm，该单元采用垂直贴片调控透射波。设计出的透射‑反射偏折器的特性由近场特性来表征，采用x偏振激发时，波束发生了反射奇异偏折，这里入射场被减掉，只有响应场，采用y偏振激发时，波束发生了透射奇异折射，且效率很高。对于TRGMS来讲，同时实现了透射波束和反射波束的调控，这在之前报道的GMS是无法实现的，同时，扩展了GMS的研究范畴。

The application and design method of a transmission reflection surface element gradient

The invention discloses a design method of transmission reflection surface element and application of gradient, the method comprises the following steps: unit adopts 4 layer structure to achieve orthogonal cascade patch cycle, P = P = 11mm, W1 = 4mm, W2 = 3mm, medium plate with a thickness of H = 1.5mm, dielectric constant for F4B medium plate 2.65, the thickness of the metal layer is 0.018mm, the unit of the vertical transmission wave regulation patch. The characteristics of reflection and transmission designed deflector by near field characteristics characterization, using X polarized beam, the reflection of singular deflection, where the incident field is lost, only the response field, using Y polarization excitation, the transmission of singular refracted beam, and the efficiency is high. For TRGMS, while the realization of the transmission beam and reflected beam control, which was previously reported in the GMS can not be achieved, while expanding the scope of GMS research.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通讯
，涉及一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法及应用。
技术介绍
广义折射/反射定律的理论发现和梯度超表面的实验验证，开辟了人们调控电磁波的全新途径和领域，正在推动着该领域的深层次技术革新。所谓梯度超表面(Gradient Metasurfaces，GMS)，是基于相位突变和极化控制思想设计的、由人工微结构单元构成的遵守广义Snell定律的二维新型人工结构表面，可对电磁波的激发和传输进行灵活的控制。GMS在隐身表面、共形天线、数字编码、平板印刷等方面具有潜在应用价值，已发展成为国际超材料研究的热点和前沿。为了提高电磁操控的效率，国内外的课题组进行了大量的理论研究和实验验证，主要集中在以下三个方面，高效同极化奇异反射GMS设计：Zhou等在近红外波段通过引入金属衬底，隔离了透射模式，电磁波照射时，结构与衬底之间形成了强烈的磁共振，通过调节结构尺寸可以操控反射相位，由此实现了80％以上的奇异反射效率，且反射波与入射波极化保持一致；同时，该课题组通过调控“H”型结构中间臂的长度，构造了抛物线型的反射相位梯度GMS，在X波段实现了主极化波的高效聚焦。高效透射GMS设计：总体来讲，主要通过多模耦合原理以及Huygens超表面两种方式来提高透射GMS的效率。Gbig等人从传输线的角度出发，分析了多层结构高效传输和相位控制需要满足的条件，并进行了实验验证，实验中采用4层级联GMS设计了平面聚焦透镜，在2μm波长获得了良好的聚焦效果；最近，该课题组采用ABA结构，通过对不同极化电磁波的独立控制，同时实现了波束偏折和极化转化；Zhou等通过ABA体系研制了高效透射SPP耦合器，SPP转化效率达到了75％；Grbic等人基于等效原理设计的Huygens表面可以同时操控主极化波和交叉极化波，实现了波束的奇异偏折，并通过设计Gaussian波束与Bessel波束转化器进行了实验验证。高效圆极化波束操控：Zhou等深入分析了几何梯度超表面实现高效机理需要满足的理论条件，并在微波段基于对称和反对称两种结构进行了验证，获得的自旋霍尔效应的效率接近100％；Zhang等通过给超表面加载金属衬底，采用几何相位设计了全息超表面，提高了成像效果，全息成像效率达到80％；随后，该课题组将全息图样相间排列，实现了高效宽频圆极化成像。尽管研究者对GMS进行了深入广泛研究，然而研究对象均只针对透射体系或反射体系，透射-反射一体化系统还从未报道，传统GMS在提高波束操控能力，拓展超材料应用步伐上做出了突出贡献，然而面对目前日益增长的波束全空域操控、多功能需求、集成化趋势，传统GMS还存在很多不足：一是多种极化激励下各向异性超表面的高效原理成为急需解决的关键问题；二是波束操控方式多样，但梯度板功能相对单一，如GMS实现了奇异偏折效应、聚焦、涡旋光等，但同时集成两种或多种功能的梯度板还鲜有报道；三是波束操控范围集中在0-180°，全空域波束调控还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法及应用。其具体技术方案为：一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法，包括以下步骤：单元采用4层正交级联贴片结构来实现，单元周期p＝p＝11mm，w1＝4mm，w2＝3mm，介质板采用厚度为h＝1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板，金属层厚度为0.018mm，该单元采用垂直贴片调控透射波，采用y极化波(E⊥)入射时，对参数b1进行扫描，在工作频率f0＝10.6GHz，单元透射率均大于0.86，同时相位从3mm的-85°变化到8.7mm时的-455°，覆盖范围超过了360°，水平级联贴片用于调控反射波，第三层第四层的贴片长度为11mm，用于保证在x偏振激励时，仅有反射模式，没有透射模式，对于反射体系1来讲，b3＝11mm，通过扫描b2来实现反射相位调控，反射相位从83°降低到-182°，反射系数均大于0.92；对于反射体系2来说，同时扫描b2和b3参数，当b2＝b3＝8.5时，反射相位为-183°，当b2＝b3＝9mm时，反射相位下降到-280°，且反射幅度大于0.98两种体系共同保证了反射相位覆盖范围大于360°，分别在x偏振激发时实现了反射波的自由调控，在y偏振激发时，实现了透射波的自由调控。本专利技术所述透射-反射梯度超表面单元的设计方法在透射-反射波束偏折器制备过程中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术提供一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法及应用，设计出的透射-反射偏折器的特性由近场特性来表征，采用x偏振激发时，波束发生了反射奇异偏折，这里入射场被减掉，只有响应场，采用y偏振激发时，波束发生了透射奇异折射，且效率很高。对于TRGMS来讲，同时实现了透射波束和反射波束的调控，这在之前报道的GMS是无法实现的，同时，扩展了GMS的研究范畴。附图说明图1是不同激励下各向异性超表面所有表现形式；图2是不同GMS实现的奇异功能与波束操控方式。基于RGMS的(a)反射奇异偏折，(d)反射聚焦和(h)后向波束操控；基于TGMS的(b)透射奇异偏折，(e)透射聚焦和(i)前向波束操控；基于TRGMS的(c)奇异偏折，(e)奇异聚焦和(i)全空域波束操控；图3是高效TRGMS单元结构示意图和性能参数分析。(a)单元结构示意图；(b)b1参数扫描时透射系数和透射相位变化曲线；(c)两种体系下反射相位变化曲线；(d)反射幅度变化曲线；图4是基于TRGMS全空域波束偏折器的设计与加工实物图。加工的全空域波束偏折器的(a)正面实物图和(b)反面实物图；(c)在x偏振激发下，反射超单元幅度和相位分布；(d)在y偏振激发下，透射超单元幅度和相位分布；图5是电磁波正入射时TRGMS的散射场特性和近场电场分布；(a)分别采用x和y偏振激发时，波束偏折器的远场散射场分布；(b)x偏振激发时，奇异反射特性，图为xoz面内的Re(Ex)分布；(c)y偏振激发时，奇异折射特性，图为yoz面内的Re(Ey)分布；图6是于TRGMS波束偏折器的随频率和角度的散射场分布和工作效率。(a)y偏振激发时，透射波束的散射场分布；(b)x偏振激发时，反射波束的散射场分布；(c)仿真和测试的透射波束的奇异偏折效率；(d)仿真和测试的反射波束的奇异偏折效率；图7是斜入射条件下波束偏折器随频率和角度的散射场分布和相应工作效率。(a)斜入射条件下波束偏折器的场分布；(b)仿真和测试的透射波效率；(c)仿真和测试的反射波效率。具体实施方式下面结合附图和具体实施方案对本专利技术的技术方案作进一步详细地说明。透射-反射梯度超表面实现的一般机理广义折射/反射定律表明，超表面对于电磁波的波束调控主要由总波矢决定，总波矢由入射电磁波矢和由材料相位突变引起的横向波矢两部分组成，可表示为：这里，表示[i]极化电磁波入射时j方向出射电磁波的总波矢(反射总波矢或透射总波矢)，在直角坐标系中，i和j分别可由x和y两个正交分量表征，对于各向异性媒质，采用x极化电磁波激发时，总波矢有4种不同形式，即和采用y极化电磁波激发时，也有4种不同形式，即和对于两种极化电磁波同时激发时，可有16种不同组合形式。表示入射波矢在j方向的分量，表示[i]偏振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透射‑反射梯度超表面单元的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：单元采用4层正交级联贴片结构来实现，单元周期p＝p＝11mm，w1＝4mm，w2＝3mm，介质板采用厚度为h＝1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板，金属层厚度为0.018mm，该单元采用垂直贴片调控透射波，采用y极化波E⊥入射时，对参数b1进行扫描，在工作频率f0＝10.6GHz，单元透射率均大于0.86，同时相位从3mm的‑85°变化到8.7mm时的‑455°，覆盖范围超过了360°，水平级联贴片用于调控反射波，第三层第四层的贴片长度为11mm，用于保证在x偏振激励时，仅有反射模式，没有透射模式，对于反射体系1来讲，b3＝11mm，通过扫描b2来实现反射相位调控，反射相位从83°降低到‑182°，反射系数均大于0.92；对于反射体系2来说，同时扫描b2和b3参数，当b2＝b3＝8.5时，反射相位为‑183°，当b2＝b3＝9mm时，反射相位下降到‑280°，且反射幅度大于0.98两种体系共同保证了反射相位覆盖范围大于360°，分别在x偏振激发时实现了反射波的自由调控，在y偏振激发时，实现了透射波的自由调控。

【技术特征摘要】
1.一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：单元采用4层正交级联贴片结构来实现，单元周期p＝p＝11mm，w1＝4mm，w2＝3mm，介质板采用厚度为h＝1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板，金属层厚度为0.018mm，该单元采用垂直贴片调控透射波，采用y极化波E⊥入射时，对参数b1进行扫描，在工作频率f0＝10.6GHz，单元透射率均大于0.86，同时相位从3mm的-85°变化到8.7mm时的-455°，覆盖范围超过了360°，水平级联贴片用于调控反射波，第三层第四层的贴片长度为11mm，用于保证在x偏振...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁建刚，蔡通，王光明，李唐景，许河秀，庄亚强，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61