【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超表面设计，具体涉及一种太赫兹多波束分离超表面设计方法。
技术介绍
1、太赫兹波是频率在0.1-10thz，波长为3mm-30μm的电磁波，在医学、军事、成像等领域受到广泛关注。thz外差阵列接收器包括一个混频器和一个本地振荡器(lo)源，其灵敏度已接近量子噪声极限。为了提高成像和观测效率，需要大像素的外差阵列接收机。目前，开发下一代大型阵列所面临的挑战是如何生成一个具有高功率效率和单个波束之间良好均匀性的大型lo阵列。对于产生多个lo波束，有两种常见的方法：一种是基于由普通微波源驱动的频率倍增器的固态波导多波束发生器，另一种是通过衍射产生多波束的反射相位光栅。然而随着频率的提高和结构本身的影响，这些方式不适合应用于thz频段或实现宽带波束分离。超表面作为新型二维形式的结构，具有制作简单、易于集成等优势。
2、目前，用于波束分离超表面的设计方法仍然是采用数值模拟计算结合试错法，随着对波束分离数量和均一性的更高要求，显然这种方法已不适合应用于波束分离超表面设计中。波束分离超表面的设计关键在于求解远场衍射多波束对应的超表面相位分布和宽带工作的高反射率超表面单元。相位恢复算法作为由目标平面恢复全息平面的一种方法，已广泛应用于全息成像领域。而对于具有更高功率效率和均一性要求的多波束分离超表面来说，需要更精确的计算相位。
3、综上，目前应用于太赫兹波段的波束分离器主要存在工作频段窄、分离主波束数量少、功率效率低、主波束均一性差、缺乏高效的设计方法等问题。
技术实现思路>
1、专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种太赫兹多波束分离超表面设计方法实现宽频带工作的太赫兹波束分离器，提高分离的波束数量、功率效率和主波束的均一性，提供通用的多波束分离超表面设计方法。
2、技术方案：本专利技术所述的一种太赫兹多波束分离超表面设计方法，包括以下步骤：
3、(1)设置目标远场的波束数量、位置和强度比，建立目标矩阵；
4、(2)构建sa-gs模型，根据目标矩阵，采用基于sa-gs的相位计算和优化模型，获得最优的多波束分离超表面的相位分布。
5、进一步的，所述步骤(1)具体如下：设目标远场由m×n的矩阵构成，表示超表面单元的数量和远场散射平面像素点的数量；则主波束设置为相同的或不同的强度即a0、a1、…、an、…、am，其他衍射波束强度设置为0。
6、进一步的，所述步骤(2)包括以下步骤：
7、(21)随机设置超表面的初始相位，并与设置的目标远场矩阵结合，构成远场波相位；
8、(22)采用gs算法求解远场波相位，根据全息平面和目标强度，在每次迭代中交替使用二维傅里叶变换和反傅里叶变换，调整远场波相位；
9、(23)将gs算法每次迭代的相位分布作为sa算法每次迭代的初始值；
10、(24)设置初始温度设置和冷却速率，利用sa算法得到每次冷却后的新温度和新相位分布；
11、(25)定义误差函数为目标强度和全息平面的傅里叶变换之间的差值，并采用metropolis准则接受误差；
12、(26)将得到新的相位作为gs算法的初始相位，重复(22)到(25)步骤，优化迭代次数；
13、(27)完成所有迭代后，得到目标强度对应的多波束分离超表面最优相位分布。
14、本专利技术所述的一种太赫兹多波束分离超表面，由底层金属反射板，中间层聚酰亚胺介质，顶层金属贴片构成；其中，底层金属反射板在太赫兹波段损耗较低的金，介质为柔性聚酰亚胺材料，介电常数为3.0-3.6，损耗角正切为0.0001-0.05，顶层金属贴片为方形贴片；采用左旋圆极化波或右旋圆极化波入射，方形贴片通过旋转0°到180°的任意角度得到几何相位，实现相位的360°覆盖；优化后的超表面单元周期为50μm-100μm，金的厚度为0.08μm-0.2μm，介质的厚度为10μm-50μm，贴片长度为40μm-180μm，宽度为5μm-30μm。
15、进一步的，采用x和y方向的周期性边界，左旋圆极化波入射，在太赫兹范围内，交叉极化幅值高于0.8，共极化幅值低于0.3，通过旋转贴片角度在0°-180°，实现相位差为2倍旋转角度。
16、进一步的，将优化后的超表面单元按照最优相位分布排列，采用圆极化波入射，实现目标的主波束数量、位置和强度比。
17、本专利技术所述的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现任一项所述的一种太赫兹多波束分离超表面设计方法。
18、本专利技术所述的一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一项所述的一种太赫兹多波束分离超表面设计方法。
19、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：(1)本专利技术提出的基于sa-gs机器学习的相位计算和优化模型具有高效计算的优势，与传统设计方法相比，节省了大量时间成本，仅很短时间便可求解多波束分离超表面的最优相位分布。在传统相位恢复算法的基础上，结合全局优化算法，进一步提高多波束分离超表面的功率效率和远场主波束的均一性。(2)本专利技术在目标矩阵建立时，可控制超表面单元数量和衍射波束数量，在模型计算过程中，可调节模型参数，得到适应目标矩阵的模型，满足按需设计的要求，更容易与实际应用结合。(3)本专利技术提出的多波束分离超表面相位计算和优化方法不局限于特定工作频率、材料、结构参数等，是一种多波束分离超表面设计中通用的方法，同时也可扩展衍射波束数量应用于全息成像领域，具有提高成像分辨率等应用前景。(4)本专利技术设计的超表面单元通过旋转顶层贴片，实现360°的相位覆盖，适合本专利技术提出的多波束分离超表面相位计算优化方法，此外，超表面单元具有工作带宽宽、反射率高等优点。
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1.一种太赫兹多波束分离超表面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹多波束分离超表面设计方法，其特征在于，所述步骤(1)具体如下：设目标远场由M×N的矩阵构成，表示超表面单元的数量和远场散射平面像素点的数量；则主波束设置为相同的或不同的强度即A0、A1、…、An、…、Am，其他衍射波束强度设置为0。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹多波束分离超表面设计方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：
4.一种太赫兹多波束分离超表面，其特征在于，由底层金属反射板，中间层聚酰亚胺介质，顶层金属贴片构成；其中，底层金属反射板在太赫兹波段损耗较低的金，介质为柔性聚酰亚胺材料，介电常数为3.0-3.6，损耗角正切为0.0001-0.05，顶层金属贴片为方形贴片；采用左旋圆极化波或右旋圆极化波入射，方形贴片通过旋转0°到180°的任意角度得到几何相位，实现相位的360°覆盖；超表面单元周期为50μm-200μm，金的厚度为0.08μm-0.2μm，介质的厚度为10μm-50μm，贴片长度为40μm-180μm，宽度为5μm
5.根据权利要求4所述的一种太赫兹多波束分离超表面，其特征在于，采用x和y方向的周期性边界，左旋圆极化波入射，在太赫兹范围内，交叉极化幅值高于0.8，共极化幅值低于0.3，通过旋转贴片角度在0°-180°，实现相位差为2倍旋转角度。
6.根据权利要求4所述的一种太赫兹多波束分离超表面，其特征在于，将优化后的超表面单元按照最优相位分布排列，采用圆极化波入射，实现目标的主波束数量、位置和强度比。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-6任一项所述的一种太赫兹多波束分离超表面设计方法。
8.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-6任一项所述的一种太赫兹多波束分离超表面设计方法。
...【技术特征摘要】
1.一种太赫兹多波束分离超表面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹多波束分离超表面设计方法，其特征在于，所述步骤(1)具体如下：设目标远场由m×n的矩阵构成，表示超表面单元的数量和远场散射平面像素点的数量；则主波束设置为相同的或不同的强度即a0、a1、…、an、…、am，其他衍射波束强度设置为0。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹多波束分离超表面设计方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：
4.一种太赫兹多波束分离超表面，其特征在于，由底层金属反射板，中间层聚酰亚胺介质，顶层金属贴片构成；其中，底层金属反射板在太赫兹波段损耗较低的金，介质为柔性聚酰亚胺材料，介电常数为3.0-3.6，损耗角正切为0.0001-0.05，顶层金属贴片为方形贴片；采用左旋圆极化波或右旋圆极化波入射，方形贴片通过旋转0°到180°的任意角度得到几何相位，实现相位的360°覆盖；超表面单元周期为50μm-200μm，金的厚度为0.08μm...
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