一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构制造技术

本实用新型专利技术发明专利技术公开了一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调超表面单元结构，其特点是该单元结构由上层的二阶箭头状金属层、中间的介质基板层和底层的反射金属层组成，所述金属层和反射金属层为刻蚀在介质基板层上、下两表面的金属铜，所述超表面基本单元以圆极化波从金属层向反射金属层方向正向入射并由反射金属层反射出去，实现左旋圆极化入射右旋圆极化出射或右旋圆极化入射左旋圆极化出射。本实用新型专利技术与现有技术相比具有360°的反射相位调控，且反射效率在90%的相对带宽可达100%，结构简单，便于组成阵列，实现轨道角动量生成等复杂功能，可广泛运用于天线的设计、电磁波的自旋角动量调节，在微波或光学领域中具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构
本技术涉及人工电磁材料
，尤其是一种可用于轨道角动量波生成的分形超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构。
技术介绍
超材料是一种电磁参数可以进行人为调控的、亚波长尺寸的单元排列构成的三维新型结构，近年来受到了研究人员们的持续关注。超材料拥有许多天然材料无法轻易获得的电磁特性，如负介电常数、负磁导率等。电磁超材料的本征特性和构成电磁超材料的自然材料特性关系不大，主要取决于其亚波长单元的几何结构设计和各单元间的排布方式。而超表面则是超材料的一种子类，是一种用途广泛的人工电磁材料技术，其特点在于超表面为一种超薄二维阵列平面，具有制作简易可行、损耗较低、体积较小和超薄厚度等特点。二维结构的超表面相对于三维结构而言更容易进行集成与应用。传统材料制作的光学元件等往往具有体积较大等劣势，而用超表面制作的相关器件则能较好地实现小型化的目标。现有技术的超表面电磁波相位调制难度大，电磁波的极化效率低且频带窄，使得超表面应用受到极大的限制。超表面设计的传输或反射效率往往无法保证维持在90%以上，从而导致相应的轨道角动量生成等应用在工作频带内效果不佳。目前大部分超表面单元的工作频带受到了一定程度的限制，只能在较窄的范围内进行高效的电磁波相位调控。为了进一步拓宽超表面在电磁波相位调制上的应用前景，高效的、宽频带的超表面设计显得尤为重要。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有技术的不足而设计的一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构，采用上层的二阶箭头状金属铜层与中间的介质基板层以及底层的反射金属层组成叠层结构的超表面单元，在圆极化电磁波垂直入射的情况下，电磁波的能量被耦合至表面的二阶箭头图案金属层，并由正方形的反射金属层反射出去，形成了高效率的圆极化反射型交叉极化现象，通过旋转该超表面单元表面的二阶箭头图案，实现任意角度的相位差，并进一步实现360°相位覆盖的反射相位调控，且反射效率在90%的相对带宽可达到100%以上，该超表面单元可以在超宽的频带内实现高效率的相位调控，调节方便且调节范围大，能够进一步地组成阵列，实现轨道角动量生成等复杂功能，可广泛运用于天线的设计、电磁波的自旋角动量调节，调节方便且调节范围大，结构简单，单元体积较小易于加工制造为成品，在微波或光学领域中具有较好的应用前景。本技术的目的是这样实现的：一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构，其特点是该超表面单元由上层的金属层、中间的介质基板层以及底层的反射金属层组成上、中、下三层的叠层结构，所述介质基板层为F4B材质的正立方体，其上、下两表面分别刻蚀金属层和反射金属层；所述金属层为刻蚀在介质基板层上表面的二阶分形箭头状铜层；所述反射金属层为刻蚀在介质基板层下表面且与介质基板层具有等边长的正方形铜层，亦即单元周期长度一致；所述金属层的二阶分形箭头状铜由主矩形、一阶箭头矩形和二阶箭头矩形三种不同尺寸的矩形拼接而成，即由四个一阶箭头矩形和八个二阶箭头矩形与主矩形相连接在一起，八个二阶箭头矩形则与四个一阶箭头矩形相连接在一起，四个一阶箭头矩形又分别与主矩形的四个角重合，并绕着这四个角进行旋转形成的二阶分形箭头图案；所述主矩形为正方形对角线设置，其两端分别连接两一阶箭头矩形，每一阶箭头矩形连接两二阶箭头矩形，所述两一阶箭头矩形为直角相连，且与主矩形构成45°夹角；所述两二阶箭头矩形为直角相连，且与一阶箭头矩形构成45°夹角。所述金属层与反射金属层的材质一般可以采用铜，但也可以选用金等其他金属；所述介质基板层的材质可以采用且并不仅限于F4B介质。本技术与现有技术相比具有以下有益效果：1）结构简单，超表面基本单元仅有三层结构，制作材料常见且相关加工技术成熟；2）能够高效率地在超宽频带范围内对圆极化电磁波的交叉极化相位进行调制，调节方法简单且调节范围较大，便于进一步制作阵列实现其他复杂的功能。3）通过旋转该超表面单元的二阶分形箭头图案，对入射波的幅度与相位进行调控，使反射的电磁波的极化方式受到了改变，实现360°的反射相位调控，且反射效率在90%的相对带宽可达到100%以上，较好解决了较宽频带内的电磁波相位调制的难点，可广泛运用于天线的设计、电磁波的自旋角动量调节等方面，调节方便且调节范围大，结构简单、易于加工、厚度较薄等优点。附图说明图1为本技术结构示意图；图2为本技术立体结构示意图；图3为二阶分形箭头图案示意图；图4为反射波交叉极化幅度响应；图5为反射波交叉相位幅度响应。具体实施方式以下通过具体实施例对本技术作进一步的阐述：实施例1参阅附图1，本技术由上层的金属层1、中间的介质基板层2以及底层的反射金属层3组成上、中、下三层的叠层结构，所述介质基板层2为正立方体，其上、下两表面分别刻蚀金属层1和反射金属层3；所述金属层1为刻蚀在介质基板层2上表面的二阶分形箭头状铜层；所述反射金属层3为刻蚀在介质基板层2下表面且与介质基板层2具有等边长的正方形铜层；所述金属层1和反射金属层3的材质均为金属铜，也可以选用金等其他金属来实现相似功能；所述介质基板层2的材质一般可以选用F4B等其他常用的介质材料；所述介质基板层2与反射金属层3的正方形截面边长（即单元周期长度）一致。参阅附图2，本技术由顶层的金属层1、中间的介质基板层2和底层的反射金属层3构成。顶层的金属层1为一个二阶分形箭头状的金属铜层，底层的反射金属层3则为一个正方形的的金属铜层。在超宽带工作范围内，当圆极化电磁波正向垂直入射器件表面时，电磁波几乎被完全反射，其反射的电磁波的交叉极化幅值基本维持在90%以上，其相位值则可以根据金属层1的旋转角度进行调控。参阅附图3，所述金属层1的二阶分形箭头状分形图案由主矩形1-1与四个一阶箭头矩形1-2和八个二阶箭头矩形1-3组成；所述主矩形1-1为正方形对角线设置，其两端分别连接两一阶箭头矩形1-2，每一阶箭头矩形1-2连接两二阶箭头矩形1-3，所述两一阶箭头矩形1-2为直角相连，且与主矩形1-1构成45°夹角；所述两二阶箭头矩形1-3为直角相连，且与一阶箭头矩形1-2构成45°夹角。参阅附图4，当左旋圆极化波正向入射到超表面基本单元时，交叉极化的幅度值在5.9至19.7GHz的范围内均高于0.9，即效率高于90%。这表明当左旋圆极化波正向入射到超表面基本单元时，电磁波绝大部分被反射并且其极化方式变为了右旋圆极化。本技术可以通过改变尺寸在其他工作频段亦达到类似的效果，并不仅限于图示所展示的频带范围内。参阅附图5，在金属层1的二阶分形箭头状分形图案逆时针旋转了不同角度，其反射波交叉相位幅度响应的相位值变化情况，当金属层1逆时针旋转的度数即为单元反射的电磁波交叉极化相位值减小度数的一半。在工作频段范围内，能够实现最大为360°的相位调控，在效率保持90%的情况下，该超表面单元的相位值可以被较容易地调控，并形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构，其特征在于该超表面单元由上层的金属层（1）、中间的介质基板层（2）和底层的反射金属层（3）组成的叠层结构，所述介质基板层（2）为正立方体，其上、下两表面分别刻蚀金属层（1）和反射金属层（3）；所述金属层（1）为刻蚀在介质基板层（2）上表面的二阶分形箭头状铜层；所述反射金属层（3）为刻蚀在介质基板层（2）下表面且与介质基板层（2）具有等边长的正方形铜层。/n

【技术特征摘要】
1.一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构，其特征在于该超表面单元由上层的金属层（1）、中间的介质基板层（2）和底层的反射金属层（3）组成的叠层结构，所述介质基板层（2）为正立方体，其上、下两表面分别刻蚀金属层（1）和反射金属层（3）；所述金属层（1）为刻蚀在介质基板层（2）上表面的二阶分形箭头状铜层；所述反射金属层（3）为刻蚀在介质基板层（2）下表面且与介质基板层（2）具有等边长的正方形铜层。


2.根据权利要求1所述超宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘益廷，谢仁盛，丁军，翟国华，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：新型
国别省市：上海;31