本发明专利技术公开了一种基于3D打印技术的连续超构表面设计方法及超光栅阵列，方法包括：确定3D打印材料以及材料对应的介电常数；并设定占空比；获取超光栅单元被圆极化波照射激发时的散射参数；以及根据散射参数，获取实现透射效率的条件；根据3D打印材料的介电常数和定占空比，获取超光栅单元在X和Y极化方向上的等效介电常数和高度；设定超光栅单元是无损的，入射波的圆极化波为平面波，获取入射波的透射和反射系数；利用上述参数，建立超光栅单元的透反射系数理论模型；根据透反射系数理论模型，结合目标频段和实现透射效率的条件，获取超光栅单元最优参数模型。本发明专利技术的基于3D打印技术的连续超构表面设计方法避免了单元之间的耦合和高阶衍射。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微波器件，具体为基于3d打印技术的连续超构表面设计方法及超光栅阵列。
技术介绍
1、目前，实现宽带透射oam涡旋波束可以使用超表面来产生，但是由于其基于离散非连续单元排布，导致超表面阵列不可避免的存在单元间相互耦合、高阶衍射和阶跃形非连续相位分布等问题。导致其难以产生理想的oam涡旋波束，具有难以解决的固有技术缺陷。例如，第一，利用超表面产生的宽带透射涡旋波束性能总是表现得不理想，包括波束能量分布不够均匀，焦环不够圆和纯度不足够高，最终影响传输距离和通信质量。第二，难以实现高性能高阶涡旋波束所需要的0-2π的连续相位变化，导致难以实现高性能高阶oam涡旋波束。目前大多数透射oam的报道只研究了3阶以下，并且随着模式阶数的增大，涡旋波束的质量往往会逐渐恶化，模式纯度也会明显降低。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于：现有的通过超表面产生透射oam涡旋波的方法，无法实现宽带高阶高纯度低模式串扰的oam波束。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于3d打印技术的连续超构表面设计方法，包括以下步骤：
4、s10，确定3d打印材料以及材料对应的介电常数；并设定占空比；
5、s20，获取超光栅单元被圆极化波照射激发时的散射参数；以及根据散射参数，获取实现透射效率的条件；
6、s30，根据3d打印材料的介电常数和定占空比，获取超光栅单元在x和y极化方向上的等效介电常数；
<
p>7、s40，根据x和y极化方向上的等效介电常数，获取超光栅单元的高度；8、s50，设定超光栅单元是无损的，入射波的圆极化波为平面波，获取入射波的透射和反射系数；
9、s60，利用超光栅单元的散射参数、x和y极化方向上的等效介电常数以及入射波的透射和反射系数，建立超光栅单元的透反射系数理论模型；
10、s70，根据透反射系数理论模型，结合目标频段和实现透射效率的条件，获取超光栅单元最优参数模型。
11、在本专利技术的一实施例中，超光栅单元在x和y极化方向上的等效介电常数，通过以下公式获取：
12、εx＝1+q(εr-1)；
13、
14、式中，εx为超光栅单元在x极化方向上的等效介电常数，εr为超光栅单元在y极化方向上的等效介电常数；q为占空比，q＝p1/p2，其中，p1为整个超光栅单元的宽度，p2为光栅单元凸起部分的宽度。
15、在本专利技术的一实施例中，超光栅单元的高度通过以下公式获取：
16、
17、式中，h为超光栅单元的高度，λ0为工作频率处的波长。
18、在本专利技术的一实施例中，当需要快速设计超光栅单元时，根据确定3d打印材料对应的介电常数以及占空比，利用超光栅单元在x和y极化方向上的等效介电常数公式，获取对应的等效介电常数参数，以及基于目标工作频段，利用超光栅单元的高度公式，获取对应的高度参数。
19、在本专利技术的一实施例中，入射波的透射和反射系数，通过以下公式获取：
20、
21、
22、
23、
24、式中，txx为x极化方向上的共极化透射系数，tyy为y极化方向上的共极化透射系数，rxx为x极化方向上的共极化反射系数，ryy为y极化方向上的共极化反射系数，εx为超光栅单元在x极化方向上的等效介电常数，e为自然常数，j为虚数单位，h为超光栅单元的高度，kx为x极化方向上的的波矢，ky为y极化方向上的波矢。
25、在本专利技术的一实施例中，x和y极化方向上的的波矢，分别通过以下公式获取：
26、
27、
28、式中，f为频率，c为光速，π为圆周率。
29、本专利技术还提供一种基于3d打印技术的超光栅阵列，应用上述所述的基于3d打印技术的连续超构表面设计方法构造的超光栅单元；其中，超光栅阵列的设计方法包括：
30、s100，获取极坐标系中，超光栅阵列矢量的表达式；
31、s200，以在法向方向产生涡旋波束为条件，确定超光栅阵列矢量的表达式中，超光栅阵列的相位控制参数θ(r,φ)；其中，r为极坐标系的半径，φ为极坐标系的角度；
32、s300，以确保超光栅的连续性为条件，设定获取超光栅阵列的相位控制参数θ(r,φ)的微分方程；其中，kg为超光栅阵列矢量，为哈密顿算子；
33、s400，求解超光栅阵列的相位控制参数θ(r,φ)的微分方程，获取局域空间频率；
34、s500，将所述局域空间频率代入超光栅阵列矢量的表达式中，并在极坐标系中，沿着任意方向对超光栅阵列矢量kg进行积分，获取超光栅阵列函数的积分形式；
35、s600，对所述超光栅阵列函数的积分形式进行求解，获取超光栅阵列函数表达式；
36、s700，将超光栅按照超光栅阵列函数表达式的计算结果排列，获取超光栅阵列。
37、在本专利技术的一实施例中，所述超光栅阵列表达式包括：
38、当m＝1时，超光栅阵列表达式为：
39、g(r,φ)＝c2ln(r/r0)cos(φ0)+c2φsin(φ0)；
40、c2＝2πr0/λ0；
41、当m≠1时，超光栅阵列表达式为：
42、
43、c3＝[2πr0(r0/r)m-1/λ0]；
44、式中，m为结构的拓扑电荷，g(r,φ)为超光栅阵列函数，c2和c3为超光栅阵列的两个尺度因子，r0为超光栅阵列中心空白部分的半径，φ0为初始相位，λ0为局域亚波长周期，sin为正弦函数，cos为余弦函数。
45、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
46、1)具有连续的结构，可以实现连续的相位变化，避免了单元之间的耦合和高阶衍射；
47、2)可以产生高质量的涡旋波束；
48、3)涡旋波束的模式纯度更高，更稳定；
49、4)可以产生更高模式阶数的高性能高纯度涡旋波束；
50、5)具有频率和尺寸不敏感性，可以实现超光栅阵列口径尺寸的小型化和定制化。
51、提出的连续介质超光栅阵列为宽带高纯度高性能透射涡旋波束的产生提供了一个新的技术方案，尤其在产生高质量高阶涡旋波束方面具有明显的技术优越性。
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【技术保护点】
1.一种基于3D打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，超光栅单元在X和Y极化方向上的等效介电常数，通过以下公式获取：
3.根据权利要求2所述的基于3D打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，超光栅单元的高度通过以下公式获取：
4.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，当需要快速设计超光栅单元时，根据确定3D打印材料对应的介电常数以及占空比，利用超光栅单元在X和Y极化方向上的等效介电常数公式，获取对应的等效介电常数参数，以及基于目标工作频段，利用超光栅单元的高度公式，获取对应的高度参数。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，入射波的透射和反射系数，通过以下公式获取：
6.根据权利要求5所述的基于3D打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，X和Y极化方向上的的波矢，分别通过以下公式获取：
7.一种基于3D打印技术的超光栅阵列，其特征在于，应用所述权利要求1-6任一所述的基于3D打印技术的连续超构表面设计方法构造的超光栅单元；其中，超光栅阵列的设计方法包括：
8.根据权利要求7所述的基于3D打印技术的超光栅阵列，其特征在于，所述超光栅阵列表达式包括：
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【技术特征摘要】
1.一种基于3d打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于3d打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，超光栅单元在x和y极化方向上的等效介电常数，通过以下公式获取：
3.根据权利要求2所述的基于3d打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，超光栅单元的高度通过以下公式获取：
4.根据权利要求1所述的基于3d打印技术的连续超构表面设计方法，其特征在于，当需要快速设计超光栅单元时，根据确定3d打印材料对应的介电常数以及占空比，利用超光栅单元在x和y极化方向上的等效介电常数公式，获取对应的等效介电常数参数，以及基于目标工作频...
【专利技术属性】
技术研发人员：余航，潘志峰，杨利霞，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：
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