CN106229694B

CN106229694B - 一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法及应用

Info

Publication number: CN106229694B
Application number: CN201610633397.7A
Authority: CN
Inventors: 梁建刚; 蔡通; 王光明; 李唐景; 许河秀; 庄亚强
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2036-08-04
Also published as: CN106229694A

Abstract

本发明公开了一种透射‑反射梯度超表面单元的设计方法及应用，该方法包括以下步骤：单元采用4层正交级联贴片结构来实现，单元周期p＝p＝11mm，w₁＝4mm，w₂＝3mm，介质板采用厚度为h＝1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板，金属层厚度为0.018mm，该单元采用垂直贴片调控透射波。设计出的透射‑反射偏折器的特性由近场特性来表征，采用x偏振激发时，波束发生了反射奇异偏折，这里入射场被减掉，只有响应场，采用y偏振激发时，波束发生了透射奇异折射，且效率很高。对于TRGMS来讲，同时实现了透射波束和反射波束的调控，这在之前报道的GMS是无法实现的，同时，扩展了GMS的研究范畴。

Description

一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法及应用

技术领域

本发明属于通讯技术领域，涉及一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法及应用。

背景技术

广义折射/反射定律的理论发现和梯度超表面的实验验证，开辟了人们调控电磁波的全新途径和领域，正在推动着该领域的深层次技术革新。所谓梯度超表面(GradientMetasurfaces，GMS)，是基于相位突变和极化控制思想设计的、由人工微结构单元构成的遵守广义Snell定律的二维新型人工结构表面，可对电磁波的激发和传输进行灵活的控制。GMS在隐身表面、共形天线、数字编码、平板印刷等方面具有潜在应用价值，已发展成为国际超材料研究的热点和前沿。

为了提高电磁操控的效率，国内外的课题组进行了大量的理论研究和实验验证，主要集中在以下三个方面，高效同极化奇异反射GMS设计：Zhou等在近红外波段通过引入金属衬底，隔离了透射模式，电磁波照射时，结构与衬底之间形成了强烈的磁共振，通过调节结构尺寸可以操控反射相位，由此实现了80％以上的奇异反射效率，且反射波与入射波极化保持一致；同时，该课题组通过调控“H”型结构中间臂的长度，构造了抛物线型的反射相位梯度GMS，在X波段实现了主极化波的高效聚焦。高效透射GMS设计：总体来讲，主要通过多模耦合原理以及Huygens超表面两种方式来提高透射GMS的效率。Gbig等人从传输线的角度出发，分析了多层结构高效传输和相位控制需要满足的条件，并进行了实验验证，实验中采用4层级联GMS设计了平面聚焦透镜，在2μm波长获得了良好的聚焦效果；最近，该课题组采用ABA结构，通过对不同极化电磁波的独立控制，同时实现了波束偏折和极化转化； Zhou等通过ABA体系研制了高效透射SPP耦合器，SPP转化效率达到了75％；Grbic等人基于等效原理设计的Huygens表面可以同时操控主极化波和交叉极化波，实现了波束的奇异偏折，并通过设计Gaussian波束与Bessel波束转化器进行了实验验证。高效圆极化波束操控： Zhou等深入分析了几何梯度超表面实现高效机理需要满足的理论条件，并在微波段基于对称和反对称两种结构进行了验证，获得的自旋霍尔效应的效率接近100％；Zhang等通过给超表面加载金属衬底，采用几何相位设计了全息超表面，提高了成像效果，全息成像效率达到80％；随后，该课题组将全息图样相间排列，实现了高效宽频圆极化成像。

尽管研究者对GMS进行了深入广泛研究，然而研究对象均只针对透射体系或反射体系，透射-反射一体化***还从未报道，传统GMS在提高波束操控能力，拓展超材料应用步伐上做出了突出贡献，然而面对目前日益增长的波束全空域操控、多功能需求、集成化趋势，传统GMS还存在很多不足：一是多种极化激励下各向异性超表面的高效原理成为急需解决的关键问题；二是波束操控方式多样，但梯度板功能相对单一，如GMS实现了奇异偏折效应、聚焦、涡旋光等，但同时集成两种或多种功能的梯度板还鲜有报道；三是波束操控范围集中在0-180°，全空域波束调控还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法及应用。

其具体技术方案为：

一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法，包括以下步骤：

单元采用4层正交级联贴片结构来实现，单元周期p＝p＝11mm，w₁＝4mm，w₂＝3mm，介质板采用厚度为h＝1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板，金属层厚度为0.018mm，该单元采用垂直贴片调控透射波，采用y极化波(E⊥)入射时，对参数b₁进行扫描，在工作频率 f₀＝10.6GHz，单元透射率均大于0.86，同时相位从3mm的-85°变化到8.7mm时的-455°，覆盖范围超过了360°，水平级联贴片用于调控反射波，第三层第四层的贴片长度为11mm，用于保证在x偏振激励时，仅有反射模式，没有透射模式，对于反射体系1来讲，b₃＝11mm，通过扫描b₂来实现反射相位调控，反射相位从83°降低到-182°，反射系数均大于0.92；对于反射体系2来说，同时扫描b₂和b₃参数，当b₂＝b₃＝8.5时，反射相位为-183°，当b₂＝b₃＝9mm 时，反射相位下降到-280°，且反射幅度大于0.98两种体系共同保证了反射相位覆盖范围大于360°，分别在x偏振激发时实现了反射波的自由调控，在y偏振激发时，实现了透射波的自由调控。

本发明所述透射-反射梯度超表面单元的设计方法在透射-反射波束偏折器制备过程中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法及应用，设计出的透射-反射偏折器的特性由近场特性来表征，采用x偏振激发时，波束发生了反射奇异偏折，这里入射场被减掉，只有响应场，采用y偏振激发时，波束发生了透射奇异折射，且效率很高。对于TRGMS 来讲，同时实现了透射波束和反射波束的调控，这在之前报道的GMS是无法实现的，同时，扩展了GMS的研究范畴。

附图说明

图1是不同激励下各向异性超表面所有表现形式；

图2是不同GMS实现的奇异功能与波束操控方式。基于RGMS的(a)反射奇异偏折，(d)反射聚焦和(h)后向波束操控；基于TGMS的(b)透射奇异偏折，(e)透射聚焦和 (i)前向波束操控；基于TRGMS的(c)奇异偏折，(f)奇异聚焦和(g)全空域波束操控；

图3是高效TRGMS单元结构示意图和性能参数分析。(a)单元结构示意图；(b)b1 参数扫描时透射系数和透射相位变化曲线；(c)两种体系下反射相位变化曲线；(d)反射幅度变化曲线；

图4是基于TRGMS全空域波束偏折器的设计与加工实物图。加工的全空域波束偏折器的(a)正面实物图和(b)反面实物图；(c)在x偏振激发下，反射超单元幅度和相位分布；(d)在y偏振激发下，透射超单元幅度和相位分布；

图5是电磁波正入射时TRGMS的散射场特性和近场电场分布；(a)分别采用x和y 偏振激发时，波束偏折器的远场散射场分布；(b)x偏振激发时，奇异反射特性，图为xoz 面内的Re(Ex)分布；(c)y偏振激发时，奇异折射特性，图为yoz面内的Re(Ey)分布；

图6是于TRGMS波束偏折器的随频率和角度的散射场分布和工作效率。(a)y偏振激发时，透射波束的散射场分布；(b)x偏振激发时，反射波束的散射场分布；(c)仿真和测试的透射波束的奇异偏折效率；(d)仿真和测试的反射波束的奇异偏折效率；

图7是斜入射条件下波束偏折器随频率和角度的散射场分布和相应工作效率。(a)斜入射条件下波束偏折器的场分布；(b)仿真和测试的透射波效率；(c)仿真和测试的反射波效率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

透射-反射梯度超表面实现的一般机理

广义折射/反射定律表明，超表面对于电磁波的波束调控主要由总波矢决定，总波矢由入射电磁波矢和由材料相位突变引起的横向波矢两部分组成，可表示为：

这里，表示[i]极化电磁波入射时j方向出射电磁波的总波矢(反射总波矢或透射总波矢)，在直角坐标系中，i和j分别可由x和y两个正交分量表征，对于各向异性媒质，采用x极化电磁波激发时，总波矢有4种不同形式，即和采用y 极化电磁波激发时，也有4种不同形式，即和对于两种极化电磁波同时激发时，可有16种不同组合形式。表示入射波矢在j方向的分量，表示[i]偏振电磁波入射时由材料在j方向产生的反射相位梯度或透射相位梯度，类似地，采用不同极化电磁波激励时，分别有4种形式，两种正交电磁波同时激发时，有 16种组合形式。当超材料置于xoy平面时，在直角坐标系中，式(1)可以表示为：

对于梯度超表面设计来讲，相位梯度可由下式计算：

为了更清楚的表征梯度超表面对电磁波的调控特性，图1给出了不同极化电磁波激励时各向异性超表面所有调控组合形式，由此可把各向异性梯度超表面分成3类，即反射梯度超表面(RGMS)，透射-反射梯度超表面(TRGMS)和透射梯度超表面(TGMS)。对于RGMS，可以操控4种反射梯度参数(和)，TGMS则可调控4种透射梯度参数( 和)，TRGMS可同时调控反射梯度和透射梯度，共8种调控形式。之前报道的所有超表面形式，均为单一反射模式或透射模式，同时操控反射波和透射波的超表面从未见报道。

总之，与TGMS和RGMS相比，TRGMS操控参数自由度更多，这就决定了TRGMS具有独特的电磁特性和强大的波束操控能力：(1)TRGMS可以同时调控入射波和反射波，极大的拓宽了GMS的应用范围，如图2(a)-(c)所示，相对于图2(a)RGMS实现的波束奇异反射与图2(b)TGMS实现的奇异折射效应，RTGMS可以同时实现这两种奇异现象，具有功能集成的特性；(2)TRGMS采用极化控制原理调控入射波和反射波，两者属于正交模式，均可以实现高效性；(3)与RGMS和TGMS的单一功能相比，TRGMS可以实现多功能性，这与目前日益增长的多功能需求相统一；(4)TRGMS具有全空域波束扫描特性，如图2(g)所示，与传统RGMS的后向波束操控(与入射波方向相反)以及TGMS的前向波束操控(与入射波方向相同)相比，波束操控能力更为强大。(5)同时实现高效性、多功能性、全空域波束调控特性，TRGMS在现代国防、通信领域具有广阔的应用前景和工程应用价值。

实施例1透射-反射梯度超表面单元设计

对于TRGMS设计，关键要考虑三个方面的因素。一是同时实现透射和反射特性，且两者不能相互影响，以保证***的高效性；二是不管对透射体系还是反射体系，相位覆盖范围必须超过360°，确保超表面对波束的任意操控；三是透射和反射系数均需保持在很高的水平，用于保证不同功能的高效率。从以上三点考虑，我们设计了如图3的TRGMS单元。单元采用4层正交级联贴片结构来实现，单元周期p＝p＝11mm，w₁＝4mm，w₂＝3mm，介质板采用厚度为h＝1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板，金属层厚度为0.018mm。该单元采用垂直贴片调控透射波，采用y极化波(E⊥)入射时，对参数b₁进行扫描，其模拟结果如图3(b) 所示，可以看出，在工作频率f₀＝10.6GHz，单元透射率均大于0.86，同时相位从3mm的-85°变化到8.7mm时的-455°，覆盖范围超过了360°。水平级联贴片用于调控反射波，这里采用两种体系相结合的方式一方面降低了相位变化敏感性，一方面实现了反射波的任意调控。这里，第三层第四层的贴片长度为11mm，用于保证在x偏振激励时，仅有反射模式，没有透射模式。对于反射体系1来讲，b₃＝11mm，通过扫描b₂来实现反射相位调控，对应的反射相位和反射幅度如图3(c)和(d)中的蓝线所示，可以看出，反射相位从83°(b₂＝4mm) 降低到-182°(b₂＝10.8mm)，反射系数均大于0.92；对于反射体系2来说，同时扫描b₂和 b₃参数，当b₂＝b₃＝8.5时，反射相位为-183°，当b₂＝b₃＝9mm时，反射相位下降到-280°，且反射幅度大于0.98两种体系共同保证了反射相位覆盖范围大于360°。这样，我们分别在x 偏振激发时实现了反射波的自由调控，在y偏振激发时，实现了透射波的自由调控。

实施例2透射-反射波束偏折器设计

基于以上设计的TRGMS单元，可以设计出不同性能优良的透射-反射功能器件，这里以全空域透射-反射波束偏折器为例，来验证TRGMS的强大波束调控能力。对于反射体系来讲，相位梯度沿x方向，一个超单元由6个基本单元构成，相位梯度为-60°，以两个超单元为例，图4(c)给出了使用反射单元的幅度和相位分布，模拟(理论)反射相位吻合很好，且反射幅度优于0.93；对于透射体系来讲，梯度沿y方向，相位梯度为-60°，单元沿x方向排列，透射相位和透射幅度如图4(d)所示，模拟(理论)透射相位吻合很好，透射系数大于0.89。透射-反射波束偏折器由6×6个超单元组成，总尺寸为396mm×396mm，相当于14λ₀×14λ₀，对该偏折器进行加工，其实物如图4(a)(正面)和(b)(反面)所示，超单元如图中蓝线所示。

对加工好的全空域波束偏折器进行远场散射场测试，测试过程中，采用宽带喇叭天线做馈源，距离波束偏折器1.2m，用于保证喇叭出射场为完美平面波。采用x偏振激发时，波束偏折器工作于反射状态，此时，采用另一喇叭天线在1.2m圆周上测试器件的场分布，结果如图5(a)中红色点标记曲线所示，工作频率为f₀，可以看出，FDTD模拟曲线与实验测试曲线吻合的很好，此时波束发生了奇异反射，偏折角度为25.4°，这与理论计算结果完全一致(θr＝arcsin(ξ_x/k₀)，此时ξ_x＝0.43k₀)，且透射模式极小，保证了器件的高效性。采用y偏振电磁波进行激励，波束偏折器工作于透射状态，测试结果如图中蓝色点所示，同样的，测试和模拟曲线吻合良好，波束发生了奇异折射，偏折角为25.4°，此时，波束位于205.4°，这与理论计算结果完全一致(θt＝arcsin(ξ_y/k₀)，此时ξ_y＝0.43k₀)。透射- 反射偏折器的特性也可以由近场特性来表征，如图5(b)和(c)所示，采用x偏振激发时，波束发生了反射奇异偏折，这里入射场被减掉，只有响应场，采用y偏振激发时，波束发生了透射奇异折射，且效率很高。对于TRGMS来讲，同时实现了透射波束和反射波束的调控，这在之前报道的GMS是无法实现的，同时，扩展了GMS的研究范畴。

为了研究透射-反射波束偏折器的带宽特性，在10-11.5GHz范围内对远场散射特性进行测试，结果如图6所示，采用y极化电磁波激励时，波束在10.3-11GHz范围内，奇异透射效果良好，且波束偏折角度与理论计算值吻合良好(图中蓝色五角星标记)。在10-11.5GHz 范围内，对偏折波束效率进行计算，模拟和实验结果如图6(b)所示，这里，实验过程中，总能量为金属板反射时各个频率处波束能量积分总和，透射能量为奇异折射波束内能量积分总和。可以看出，在f₀＝10.6GHz时，奇异折射效率为87％，这与模拟结果在10.3GHz效率(86％) 几乎一致。随着频率偏离中心频率，单元相位补偿作用减弱，线性梯度特性不再满足理论计算值，导致效率下降。采用x偏振电磁波激发时，波束在10.4-11GHz范围内，奇异偏折特性良好，在f₀＝10.6GHz时，奇异折射效率达到为90.8％，这与10.2GHzFDTD计算结果(91.3％) 一致。该透射-反射波束偏折器工作带宽大约为0.5GHz。

之前对基于TRGMS的波束偏折器的正入射特性进行了实验测试，下面对斜入射条件下波束特性进行测试分析，结果如图7所示。由图7(a)可知，斜入射时，波束偏折角度与理论值(蓝色五角星标记)吻合良好。在入射角为-75°到25°范围内，波束奇异偏折特性良好，波束偏折范围覆盖了透射半平面和反射半平面的全空域范围，这是之前报道的GMS无法实现的，同时，对于波束的奇异偏折效率进行研究发现，采用y极化波激发时，透射波束在 -45°到25°范围内，效率均保持在75％以上，而对于反射波束，在-65°至25°范围内， f₀处偏折波束效率保持在75％以上。进一步分析表明，该透射-反射波束偏折器具有极强的角度不敏感性，在斜入射条件下工作性能良好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种透射-反射梯度超表面单元的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

单元采用4层正交级联贴片结构来实现，单元周期p_x＝p_y＝11mm，垂直贴片的宽度w₁＝4mm，水平贴片的宽度w₂＝3mm，介质板采用厚度为h＝1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板，金属层厚度为0.018mm，该单元采用垂直贴片调控透射波，采用y极化波E⊥入射时，对垂直贴片的长度b₁进行扫描，在工作频率f₀＝10.6GHz，单元透射率均大于0.86，同时相位从3mm的-85°变化到8.7mm时的-455°，覆盖范围超过了360°，水平级联贴片用于调控反射波，第三层第四层的贴片长度为11mm，用于保证在x偏振激励时，仅有反射模式，没有透射模式。这里对于反射波的调控采用了两种体系，分别为反射体系1和反射体系2。反射体系1表示仅通过改变最上层水平贴片长度b2来调节反射相位的体系。反射体系2表示表示通过同时改变最上层和第二层水平贴片长度b2、b3(b2＝b3)来调节反射相位的体系。对于反射体系1来讲，第二层水平级联贴片的长度b₃＝11mm，通过扫描最上层水平级联贴片的长度b₂来实现反射相位调控，反射相位从83°降低到-182°，反射系数均大于0.92；对于反射体系2来说，同时扫描b₂和b₃参数，当b₂＝b₃＝8.5时，反射相位为-183°，当b₂＝b₃＝9mm时，反射相位下降到-280°，且反射幅度大于0.98。两种体系相结合保证了反射相位覆盖范围大于360°，分别在x偏振激发时实现了反射波的自由调控，在y偏振激发时，实现了透射波的自由调控。

2.基于权利要求1所述的透射-反射梯度超表面单元的设计方法设计的透射-反射波束偏折器。所述透射-反射波束偏折器由6×6个超单元组成，总尺寸为396mm×396mm。所述每个超单元由6个基本单元构成，所述每个超单元在反射体系中相位梯度沿x方向，相位梯度为-60°，在透射体系中相位梯度沿y方向，相位梯度为-60°。所述透射-反射波束偏折器采用y极化电磁波激励时，波束在10.3-11GHz范围内，奇异透射效果良好，在f₀＝10.6GHz时，奇异折射效率为87％。所述透射-反射波束偏折器采用x偏振电磁波激发时，波束在10.4-11GHz范围内，奇异偏折特性良好，在f₀＝10.6GHz时，奇异反射效率达到为90.8％。