一种具有可编程的极化转换透射式基本单元及超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种具有可编程的极化转换透射式超表面单元，包括依次设置的顶层金属结构层、上层介质层、上层金属地、中间介质层、下层金属地、下层介质层和底层金属结构层；表层金属结构层包括第一圆形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第一金属导线与第二金属导线均与第一圆形贴片边框相接，第一金属导线与第二金属导线之间嵌入了顶层单刀双掷开关；底层金属结构包括第二圆形贴片、第三金属导线和第四金属导线，第三金属导线与第四金属导线均与第二圆形贴片边框相接，第三金属导线与第四金属导线之间嵌入了底层单刀双掷开关。顶层金属结构层、上层介质层、上层金属地与下层金属地、下层介质层和底层金属结构层关于中间介质层镜面对称。本发明专利技术采用嵌入了单刀双掷开关的基本单元，通过切换单刀双掷开关的工作状态，实现电磁波传输的极化调控。

A basic element and super surface with programmable polarization conversion and transmission

【技术实现步骤摘要】
一种具有可编程的极化转换透射式基本单元及超表面
本专利技术属于新型人工电磁材料
，特别涉及一种在微波段具有可编程的极化转换透射式电磁编码超材料。
技术介绍
超材料是一种三维的人工合成结构，与天然材料相比，其具有独特的电磁特性。而超表面是一种二维超材料，通过合理地设计材料的结构，其可以灵活地对电磁波进行调控。因此超材料在吸波、波前调控和计划转换等方面有相当大的应用潜力。以往的模拟超表面通常采用有效介质来描述其电磁特性，而近些年，提出了数字编码超表面，其通过将物理参数数字化从而实现对电磁波的高效调控。极化在信号传输中承载着诸多的信息，因此它在电磁波特性中占据重要地位。在实际应用中，无论是从通信到成像，极化调控都是极为重要的。为了控制电磁波的极化方向，近期的研究提出了各种无源和有源的可重构极化转换器。其中，无源的转换器，采用非对称波导以实现极化转换；而有源的转换器，则通常采用PIN二极管来实现不同极化状态的转换。然而，以上提及的超表面，大多只能实现一种极化状态转换，不能灵活地调控极化方向，并且极化调控在数字编码超表面中很少被涉及。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种具有可编程的极化转换透射式基本单元及超表面，通过控制单刀双掷开关的工作状态，来实现对入射电磁波极化状态的调控。设计特定的数字编码阵列，并通过FPGA控制每个编码单元的工作状态，从而能够灵活地调控传输电磁波的线极化方向。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种具有可编程的极化转换透射式基本单元，基本单元包括自上而下设置的顶层金属结构层、上层介质层、上层金属地、中间介质层、下层金属地、下层介质层和底层金属结构层；顶层金属结构包括贴附于上层介质层上表面的第一圆形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第一金属导线与第二金属导线均与第一圆形贴片边框相接，第一金属导线与第二金属导线之间嵌入了顶层单刀双掷开关；底层金属结构包括贴附于下层介质层下表面的第二圆形贴片、第三金属导线和第四金属导线，第三金属导线与第四金属导线均与第二圆形贴片边框相接，第三金属导线与第四金属导线之间嵌入了底层单刀双掷开关。进一步的，所述基本单元的周期边长a为39-41mm，所述第一圆形贴片和第二圆形贴片的直径R为26.3-26.5mm；所述上层介质层和下层介质层的厚度h均为0.9-1.1mm，中间介质层的厚度h1为0.4-0.6mm，上层介质层、中间介质层和下层介质层的介电常数均为4.1-4.5，损耗角正切均为0.0005-0.0065，且均采用相同介质。优选的，所述基本单元的周期边长a为40mm；所述第一圆形贴片和第二圆形贴片的直径R为26.4mm；所述上层介质层和下层介质层的厚度h均为1mm，中间介质层的厚度h1为0.5mm。一种基本单元组成的超表面，所述超表面包括N×N个基本单元，N为非零正整数，N×N个基本单元采用方形矩阵排列。进一步的，所述超表面的基本单元共有4种基本单元状态；通过可编程门阵列FPGA控制基本单元中的顶层单刀双掷开关和底层单刀双掷开关的工作状态，每一个基本单元在正入射线极化电磁波的照射下独立地产生4种数字态响应，4种数字态响应对应4种极化转换状态，4种极化转换状态对应4种基本单元的顶层单刀双掷开关和底层单刀双掷开关的工作状态；通过基本单元不同的开关状态，实现不同极化入射波的同极化传输或交叉极化传输。进一步的，4个数字态编码“00”、“01”、“10”和“11”，其分别表示正入射电磁波照射下的极化转换状态。进一步的，所述4个数字态编码“00”、“01”、“10”和“11”对应4种数字态响应，其中“0”表示x极化，“1”表示y极化，所述4种数字态响应分别对应4种极化转换状态为x极化入射x极化出射、x极化入射y极化出射、y极化入射x极化出射和y极化入射y极化出射。进一步的，4种基本单元的工作状态中，“00”对应顶层单刀双掷开关与第二金属导线导通，且底层单刀双掷开关与第四金属导线导通；“01”对应顶层单刀双掷开关与第二金属导线导通，且底层单刀双掷开关与第三金属导线导通；“10”对应顶层单刀双掷开关与第一金属导线导通，且底层单刀双掷开关与第四金属导线导通；“11”对应顶层单刀双掷开关与第一金属导线导通，且底层单刀双掷开关与第三金属导线导通。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术区别于传统的利用等效媒质参数对超材料进行分析与设计的方案，从数字编码的角度分析和设计超材料，极大的简化了设计过程；2.本专利技术通过控制单刀双掷开关的工作状态进而控制超表面单元的传输状态，是的所设计的电磁超材料具有可编程的功能；3.本专利技术采用嵌入了单刀双掷开关的基本单元，通过切换单刀双掷开关的工作状态，实现传输电磁波的极化调控；4.本专利技术加工简单，便于实现，仅依靠简单的金属图样，在微波频段内易于制备加工。附图说明图1是本专利技术中基本单元的正面结构示意图；图2是本专利技术中基本单元的反面结构示意图；图3是本专利技术中基本单元的截面结构示意图；其中：1-顶层金属结构，11-第一圆形贴片，12-第一金属导线，13-第二金属导线，2-顶层单刀双掷开关，3-上层介质层，4-上层金属接地，5-中间介质层，6-下层金属接地，7-下层介质层，8-底层单刀双掷开关，9-底层金属结构层，91-第二圆形贴片，92-第三金属导线，93-第四金属导线；a为基本单元的周期边长；R为圆形贴片直径；h为上层介质层和下层介质层厚度；h1位中间介质层厚度；图4是本专利技术中基本单元原理图，其中：图4（a）是基本单元的侧视图以及单刀双掷开关的工作状态的示意图，图4（b）是基本单元的顶部视图，图4（c）是基本单元的底部视图；图5是本专利技术中基本单元的性能结果，图5（a）、5（b）、5（c）和5（d）是4种数字态编码单元的传输幅度响应仿真结果；图6是超表面的仿真设置以及数字编码图案，图6（a）是不同编码图案的超表面仿真配置，图6（b）是仅由“00”编码单元组成的编码图案A，图6（c）是只由“01”编码单元组成的编码图案B，图6（d）是仅由“10”编码单元组成的编码图案C，图6（e）是由单一“11”编码单元组成编码图案D；图7是不同编码单元组合而产生的编码图案以及其仿真结果，图7（a）、7（b）、7（c）和7（d）依次为“00010001”、“10111011”、“00110011”和“00010001/10111011”编码图案，图7（e）、7（f）、7（g）和7（h）为该4种编码图案的S21参数仿真结果。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1-3所示，一种具有可编程的极化转换透射式超表面单元，所述基本单元包括自上而下设置的顶层金属结构层1、上层介质层3、上层金属地4、中间介质层5、下层金属地6、下层介质层7和底层金属结构层9；顶层金属结构1包括贴附于上层介质层上表面的第一圆形贴片11、第一金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有可编程的极化转换透射式超表面单元，其特征在于：基本单元包括自上而下一次设置的顶层金属结构层（1）、上层介质层（3）、上层金属地（4）、中间介质层（5）、下层金属地（6）、下层介质层（7）和底层金属结构层（9）；顶层金属结构（1）包括贴附于上层介质层（3）上表面的第一圆形贴片（11）、第一金属导线（12）和第二金属导线（13），第一金属导线（12）与第二金属导线（13）均与第一圆形贴片（11）边框相接，第一金属导线（12）与第二金属导线（13）之间嵌入了顶层单刀双掷开关（2）；底层金属结构（9）包括贴附于下层介质层（7）下表面的第二圆形贴片（91）、第三金属导线（92）和第四金属导线（93），第三金属导线（92）与第四金属导线（93）均与第二圆形贴片（91）边框相接，第三金属导线（92）与第四金属导线（93）之间嵌入了底层单刀双掷开关（8）。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有可编程的极化转换透射式超表面单元，其特征在于：基本单元包括自上而下一次设置的顶层金属结构层（1）、上层介质层（3）、上层金属地（4）、中间介质层（5）、下层金属地（6）、下层介质层（7）和底层金属结构层（9）；顶层金属结构（1）包括贴附于上层介质层（3）上表面的第一圆形贴片（11）、第一金属导线（12）和第二金属导线（13），第一金属导线（12）与第二金属导线（13）均与第一圆形贴片（11）边框相接，第一金属导线（12）与第二金属导线（13）之间嵌入了顶层单刀双掷开关（2）；底层金属结构（9）包括贴附于下层介质层（7）下表面的第二圆形贴片（91）、第三金属导线（92）和第四金属导线（93），第三金属导线（92）与第四金属导线（93）均与第二圆形贴片（91）边框相接，第三金属导线（92）与第四金属导线（93）之间嵌入了底层单刀双掷开关（8）。


2.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期边长a为39-41mm，所述第一圆形贴片（11）和第二圆形贴片（91）的直径R为26.3-26.5mm；所述上层介质层（3）和下层介质层（7）的厚度h均为0.9-1.1mm，中间介质层（5）的厚度h1为0.4-0.6mm，上层介质层（3）、中间介质层（5）和下层介质层（7）的介电常数均为4.1-4.5，损耗角正切均为0.0005-0.0065，且均采用相同介质。


3.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期边长a为40mm；所述第一圆形贴片（11）和第二圆形贴片的直径R为26.4mm；所述上层介质层（3）和下层介质层（7）的厚度h均为1mm，中间介质层（5）的厚度h1为0.5mm。


4.一种根据权利求1-4任一所述的基本单元组成的超表面，其特征在于：所述超表面包括N×N个基本单元，N为非零正整数，N×N个基本单元采用方形矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，马和良，
申请(专利权)人：杭州灵芯微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33