一种双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元制造技术

本发明专利技术公开了一种双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元，属于微波技术领域。本发明专利技术所述惠更斯超表面单元仅具有上层金属层、中间介质层以及下层金属层组成，其中上下层金属层结构完全相同，由风车状排布的四个外围细金属枝节包围内部粗金属枝节构成的十字形结构实现，具有小于十分之一工作波长的超薄整体厚度和较高的透射率，并且通过调谐枝节长度实现360

【技术实现步骤摘要】
一种双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元


[0001]本专利技术属于微波
，具体涉及一种双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元。

技术介绍

[0002]电磁超表面是一种新型的二维化超材料结构，由于其具有极低的剖面、灵活的波前与极化调控能力，轻量化与低成本的设计，被广泛地应用于天线设计、电磁隐身、雷达探测以及5G应用场景中。
[0003]为了实现任意波前调制效果，超表面需要能够实现360
°
相位调谐并保持高的单元传输幅度。然而，现有的超表面大多使用紧凑排布的频率选择表面结构，并且仅考虑金属层本身的电谐振效果，并未考虑金属间磁谐振。因此超表面为了实现360
°
调谐需要多层金属结合介质或空气间隙，这导致了超表面本身具有较高的口径剖面。此外，实现360
°
相移的超表面加工需要借助多层PCB工艺制造，这也导致了层间的加工误差，并且随着频率的增高这种误差带来的波前调制能力下降越大。
[0004]近年来，学者们对电磁超表面进行了大量理论上的推导。将超表面视作二维化的一种边界条件，通过初级激励电磁波与所需要的超表面得到的次级透射电磁波，在数学上可以得到超表面所需要的电磁参数，这种理论设计极大地方便了工程师在超表面设计上的工作，称之为广义阻抗过渡条件(Generalized impedance transition condition,GSTC)。惠更斯表面是GSTC条件在物理实现上的一种具体表面。
[0005]现有技术“Metamaterial Huygens'Surfaces:Tailoring Wave Fronts with Reflectionless Sheets”提出了基于GSTC理论的惠更斯表面设计理论，报道指出，GSTC中的变量即极化率存在一个特定的解，使得超表面具有无反射的透波特性，这种特性可以根据极化率的调谐实现单元的360
°
相位调控。进一步地，极化率可以表示为电导纳Y_es与磁阻抗Z_ms的形式，当二者满足Z_ms/η＝Y_es(η为自由空间波阻抗)时，超表面表现为无反射的全传输特性，此时该表面在物理上表现为正交的等幅同相的电流与磁流形成的惠更斯口径，故称为惠更斯表面。此后，一系列惠更斯表面的理论推导与设计被提出，用于解决极化旋转、宽角折射等电磁问题。
[0006]现有技术“High
‑
Transmission Ultrathin Huygens
’
Metasurface with 360
°
Phase Control by Using Double
‑
Layer Transmitarray Elements”公开了一种双层金属惠更斯表面，指出Z_ms可以通过两层金属层的反向电流构成，并且反向电流金属层与实现Y_es金属层可以在同层设计，提出的惠更斯表面使用反对称开口环实现了垂直于E面的反向电流，在具有高透波率的同时保证了360
°
的传输相移。该成果打破了原本学界认为至少需要3层金属层才能实现360
°
传输相移的极限，极大降低了口径的剖面与对加工精度要求，然而，该设计由于引入了较为复杂的一对反对称方环结构，仅支持单线极化工作。现有技术“High Efficiency Metalens Antenna Using Huygens
’
Metasurface with Glide Symmetric I
‑
shape Metal Strips”公开了使用滑动对称放置的“I”型枝节从而实现传输
率高达98.6％的双层金属结构的超薄惠更斯表面，并支持双极化设计，然而其厚度较厚且单元尺寸较大，在Ka波段分别为2mm与7mm，在低频段，难以找到具有该厚度的单层介质基板。现有技术“Millimeter
‑
Wave Huygens
’
Transmit Arrays Based on Coupled Metallic Resonators”公开了一种前后电路模型一致的惠更斯表面结构，使用电路理论进行分析，工作于毫米波段。然而，该结构单元尺寸较大，在65GHz具有4.2mm的单元尺寸，剖面厚度为0.508mm。
[0007]因此，惠更斯表面目前难以在保证远小于波长的介质剖面厚度的同时实现多极化工作，并且具有极高透射率的双层惠更斯表面需要牺牲单元尺寸，而单元尺寸放大使得量化相位误差加大，降低了超表面的波前调控能力，介质剖面变厚使得超表面难以进行共形设计并加大了透镜质量。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元。通过增加单元内放置的平行振子密度，结合模式电流理论，将2阶存在于高频的同向电流模式移动至1阶反向电流模式谐振频率附近，二者共同实现双极化惠更斯谐振。相较于反对称结构，该思路可以使用更简单的模型实现，并且上下层结构一致，易于双极化设计；相较于滑动对称设计，该结构具有更低的介质剖面，且单元尺寸也更小，可实现更精确波前调控并具有轻量化设计。
[0009]本专利技术所提出的技术问题是这样解决的：
[0010]一种双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元，呈90
°
中心旋转对称结构，包括上层金属、介质基板和下层金属；上层金属位于介质基板的上表面，下层金属位于介质基板的下表面；上层金属和下层金属的结构形状尺寸完全相同；
[0011]上层金属包括四悬臂风车型结构1和十字形结构2，十字形结构2位于四悬臂风车型结构1的内部；
[0012]四悬臂风车型结构1包括四个悬臂，悬臂与介质基板的四个边平行；悬臂为第一金属枝节，一端与介质基板的边缘重合，另一端向介质基板的对侧延伸；每个悬臂与相邻两个悬臂之间留有间距；
[0013]十字形结构2的中心对应于介质基板的中心位置，包括两个正交放置的第二金属枝节。
[0014]进一步的，第一金属枝节的宽度小于第二金属枝节。
[0015]进一步的，介质基板的板材选用Rogers RO4350B，相对介电常数ε
r
＝3.66，损耗角正切tanδ＝0.0037。
[0016]进一步的，第一金属枝节的长度用于调谐磁谐振频率。
[0017]进一步的，第二金属枝节的长度用于调谐电谐振频率。
[0018]进一步的，第一金属枝节的宽度为0.15mm，第二金属枝节的宽度为0.6mm。相邻第一金属枝节之间的间距为4.475mm，第一金属枝节与介质基板边缘之间的距离为0.075mm。
[0019]本专利技术还提供一种上述惠更斯超表面单元的设计方法，具体过程为：
[0020]第一步，设计单枝节双层金属振子对；
[0021]设定设计频率，选定介质基板的板材和尺寸，在介质基板的上下表面平行放置单
枝节振子对，使用全波仿真软件CST结合unit cell边界条件进行无限大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元，其特征在于，呈90
°
中心旋转对称结构，包括上层金属、介质基板和下层金属；上层金属位于介质基板的上表面，下层金属位于介质基板的下表面；上层金属和下层金属的结构形状尺寸完全相同；上层金属包括四悬臂风车型结构1和十字形结构2，十字形结构2位于四悬臂风车型结构1的内部；四悬臂风车型结构1包括四个悬臂，悬臂与介质基板的四个边平行；悬臂为第一金属枝节，一端与介质基板的边缘重合，另一端向介质基板的对侧延伸；每个悬臂与相邻两个悬臂之间留有间距；十字形结构2的中心对应于介质基板的中心位置，包括两个正交放置的第二金属枝节。2.根据权利要求1所述的双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元，其特征在于，第一金属枝节的宽度小于第二金属枝节。3.根据权利要求1所述的双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元，其特征在于，介质基板的板材选用Rogers RO4350B，相对介电常数ε
r
＝3.66，损耗角正切tanδ＝0.0037。4.根据权利要求1所述的双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元，其特征在于，第一金属枝节的长度用于调谐磁谐振频率。5.根据权利要求1所述的双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元，其特征在于，第二金属枝节的长度用于调谐电谐振频率。6.根据权利要求1所述的双层金属的平面超薄惠更斯超表面单元，其特征在于，第一金属枝节的宽度为0.15mm，第二金属枝节的宽度为0.6mm。相邻第一金属枝节之间的间距为4.475mm，第一金属枝节与介质基板边缘之间的距离为0.075mm。7.一种权利要求1所述惠更斯超表面单元的设计方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅子豪，杨雪松，梁木生，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：