反射双面像多功能超表面及设计方法技术

本发明专利技术提出一种反射双面像超表面及设计方法，反射双面像超表面由正面和反面两副反射超表面通过共用中间地板构成，正面反射超表面由双层复合金属结构和金属背板组成，反面反射超表面由单层金属结构和金属地板组成。双面像超表面在正面入射和反面入射时均表现出多功能，分别在正交线极化波通道或正交旋向圆极化波通道上实现。由于中间共同地板的隔离作用，使得电磁波沿正面和反面入射时所呈现出来的功能完全不同且能得到独立控制。双面像多功能通过控制正面和反面超表面的单元排列、几何旋转角度和结构参数来独立设计。本发明专利技术反射双面像超表面将极化和方向进行多元编码，具有调控自由度多、功能容量大和独立控制等优势。功能容量大和独立控制等优势。功能容量大和独立控制等优势。

【技术实现步骤摘要】
反射双面像多功能超表面及设计方法


[0001]本专利技术涉及多功能电磁调控
，特别涉及一种反射双面像超表面及设计方法。

技术介绍

[0002]双面神(god Janus)源自罗马神话，代表能看往过去和未来的两个面。该概念后来被延伸到二维材料和超表面设计中，但均局限于同一面内、工作于不同极化上的两种单元以及基于此引发的两种功能，与双面神的两个不同面有本质区别，并不是真正意义上的双面像超表面。直到最近，研究人员分别在线极化波和圆极化波激发下基于非对称手性超表面在前向和后向两个激励方向(
‘
方向元
’
)上实现了两个不同透射和反射功能，双面像超表面的原型才得以最终确立。可以看出，双面像超表面的2个基本特征在于：1.不同功能发生在前向、后向入射方向上，属于双向通道编码多功能领域；2.超表面为基于梯度相位的非均匀超表面，不同于以往非对称传输的均匀超表面只能调控传输幅度，不能调控波前。
[0003]双面像超表面通过巧妙设计很容易实现非互易电磁特性，在雷达非对称识别、探测、隐身以及双工器、通讯天线收发一体领域具有重要应用前景。同时，双面像多元多功能超表面能显著提升电磁调控的自由度、深度和复杂度，对发现新物理、突破功能器件和阵列天线的功能信道容量和集成度具有重要科学意义，在国防武器装备雷达、通讯领域具有重要工程应用价值。
[0004]但双面像超表面存在2个方面的问题：1.透射和反射通道之间很难解耦，局部物理结构变动经常会影响全局功能和性能；2.各通道之间存在严重互扰，尤其各极化或旋向通道之间并未实现功能解耦，且旋向通道往往局限于2个，功能容量受限。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提出一种能在一块板子上通过不同入射方向和极化通道集成多个不同电磁波前调控，以解决无源超表面调控自由度、功能信道容量受限等瓶颈问题的多功能超表面及其设计方法。
[0006]本专利技术提供一种反射双面像超表面，所述反射双面像超表面包括正面和反面两副反射超表面以及所述正面和反面两副反射超表面共用的中间地板，所述正面和反面反射超表面由相同或不同单元非均匀、周期排列组成，且单元排列方式、几何旋转角度、结构参数和单元数目均独立控制；
[0007]所述反射双面像超表面在电磁波前向入射和后向入射时具有多个功能，所述功能分别在正交线极化波通道或正交旋向圆极化波通道上实现，前向入射和后向入射时的功能均可独立调控。
[0008]更进一步地，正面反射超表面单元包括两层复合金属结构和底部金属背板，两层复合金属结构之间以及两层复合金属结构与地板之间由高度均为h的两层聚四氟乙烯玻璃布板介质板隔开所述复合金属结构均由外部十字环和内部十字架贴片构成，且十字环嵌套
十字架贴片；
[0009]反面反射超表面单元包括单层金属圆弧电谐振器，所述单层金属圆弧电谐振器为中心对称的类工字形结构，中间是金属直条，两端是金属圆环对称开口而剩下的2段金属圆弧，所述单层金属圆弧电谐振器与中间地板由高度为h的聚四氟乙烯玻璃布板介质板隔开。
[0010]更进一步地，所述正面和反面两副反射超表面均由各向异性结构单元构成，所述单元在x和y方向的结构不同或结构参数不同，在x极化和y极化波照射下具有不同相位和
[0011]所述正面反射超表面单元的结构参数包括x、y两个方向上十字架贴片的长度l
x
和l
y
，单元沿x和y方向的周期分别为p
x
和p
y
，十字环沿x和y方向的长度分别为r
x
和r
y
，十字环的宽度、十字环与十字架贴片的缝隙距离为d1和d2，w为十字架贴片的宽度；
[0012]所述反面反射超表面单元的结构参数包括属圆弧电谐振器与x轴的夹角α＝45
°
，金属圆弧的半径为R，金属圆弧缺口对应张角相等，记为β，中间金属直条和金属圆弧的宽度相等，记为d。
[0013]更进一步地，所述中间地板是2层或多层复合金属结构和金属背板组成，也可以是由单层金属结构和金属背板组成，所述中间地板使和满足360
°
相位变化范围覆盖。
[0014]更进一步地，所述正面和反面两副反射超表面中单元的x和y方向的结构参数l
x
和l
y
以及单元整体金属结构旋转角Φ，使所述正面反射超表面在前向入射时，反面反射超表面在后向入射时均能实现旋向解耦。
[0015]更进一步地，所述反射双面像超表面在前向、后向入射时功能容量可通过控制和的相位差调整极化通道数量；
[0016]若则存在4个旋向通道，分别为左旋
←
右旋，右旋
←
右旋，左旋
←
左旋和右旋
←
左旋，由于各旋向通道幅度相等，由于右旋
←
右旋和左旋
←
左旋没有解耦，功能相同，所以可实现3个不同旋向通道功能；
[0017]若则存在2个旋向通道，分别为左旋
←
右旋和右旋
←
左旋，由于左旋
←
右旋和右旋
←
左旋通道解耦，所以可实现2个不同旋向通道功能；
[0018]若则为各向同性超表面单元，只有1个功能通道，且功能表现为双线极化工作不敏感特性。
[0019]还提供了一种反射双面像超表面设计方法，其特征在于，所述反射双面像超表面设计方法包括以下步骤：
[0020]步骤1，分别确定两副反射超表面的极化工作状态，是正交线极化波工作还是正交旋向圆极化波工作；
[0021]步骤2，若是圆极化波工作，确定各反射超表面的旋向通道数量是2个还是4个，从而确定的数值；
[0022]步骤3，根据预定正交线极化通道功能确定所需的各向异性相位分布和或根据正交旋向圆极化通道功能确定所需相位分布和这里和表示左旋
←
右旋和右旋
←
左旋通道下所需要的交叉极化相位分布；
[0023]步骤4，根据相位分布和反演出两副反射超表面的和Φ或和Φ；
[0024]步骤5，建立两副反射超表面单元在x极化和y极化波激发下的相位响应和随关键结构参数变化的数据库；
[0025]步骤6，分三种情况，分别根据反演出的和或和Φ或和Φ确定两副反射超表面各单元结构参数和旋转角度。
[0026]更进一步地，在步骤5中，在建立两副反射超表面单元在x极化和y极化波激发下的相位响应和随x和y方向2个关键结构参数变化的数据库时，采用二维参数扫描，建立二维相位扫描矩阵，且二维参数扫描时保持其它主体结构参数不变。
[0027]更进一步地，在步骤6中，三种情况相位关系分别对应如下：
[0028]若为线极化波工作，则有2个线极化通道，即通过和调控，无单元旋转；
[0029]若为圆极化波工作且只有2个旋向通道，在对称同线极化体系下则有和在非对称交叉线极化体系下则有和
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反射双面像超表面，其特征在于，所述反射双面像超表面包括正面和反面两副反射超表面以及所述正面和反面两副反射超表面共用的中间地板，所述正面和反面反射超表面由相同或不同单元非均匀、周期排列组成，且单元排列方式、几何旋转角度、结构参数和单元数目均独立控制；所述反射双面像超表面在电磁波前向入射和后向入射时具有多个功能，所述功能分别在正交线极化波通道或正交旋向圆极化波通道上实现，前向入射和后向入射时的功能均可独立调控。2.根据权利要求1所述反射双面像超表面，其特征在于，正面反射超表面单元包括两层复合金属结构和底部金属背板，两层复合金属结构之间以及两层复合金属结构与地板之间由高度均为h的两层聚四氟乙烯玻璃布板介质板隔开所述复合金属结构均由外部十字环和内部十字架贴片构成，且十字环嵌套十字架贴片；反面反射超表面单元包括单层金属圆弧电谐振器，所述单层金属圆弧电谐振器为中心对称的类工字形结构，中间是金属直条，两端是金属圆环对称开口而剩下的2段金属圆弧，所述单层金属圆弧电谐振器与中间地板由高度为h的聚四氟乙烯玻璃布板介质板隔开。3.根据权利要求2所述反射双面像超表面，其特征在于，所述正面和反面两副反射超表面均由各向异性结构单元构成，所述单元在x和y方向的结构不同或结构参数不同，在x极化和y极化波照射下具有不同相位和所述正面反射超表面单元的结构参数包括x、y两个方向上十字架贴片的长度l
x
和l
y
，单元沿x和y方向的周期分别为p
x
和p
y
，十字环沿x和y方向的长度分别为r
x
和r
y
，十字环的宽度、十字环与十字架贴片的缝隙距离为d1和d2，w为十字架贴片的宽度；所述反面反射超表面单元的结构参数包括属圆弧电谐振器与x轴的夹角α＝45
°
，金属圆弧的半径为R，金属圆弧缺口对应张角相等，记为β，中间金属直条和金属圆弧的宽度相等，记为d。4.根据权利要求1所述反射双面像超表面，其特征在于，所述中间地板是2层或多层复合金属结构和金属背板组成，也可以是由单层金属结构和金属背板组成，所述中间地板使和满足360
°
相位变化范围覆盖。5.根据权利要求3所述反射双面像超表面，其特征在于，所述正面和反面两副反射超表面中单元的x和y方向的结构参数l
x
和l
y
以及单元整体金属结构旋转角Φ，使所述正面反射超表面在前向入射时，反面反射超表面在后向入射时均能实现旋向解耦。6.根据权利要求5所述反射双面像超表面，其特征在于，所述反射双面像超表面在前向、后向入射时功能容量可通过控制和的相位差调整...

【专利技术属性】
技术研发人员：许河秀，王保存，罗慧玲，王政杰，徐硕，王彦朝，王朝辉，
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：