CN112201961B - 基于幅度和相位调控的双功能超表面集成器件及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超表面电磁调控技术领域，具体为一种基于幅度和相位调控的双功能超表面集成器件及设计方法。本发明双功能超表面集成器件由M*M个超表面单元在平面内延拓排列组成；该超表面单元为各向异性结构，由金属地板、一个三层结构和两层介质板组成；三层结构中，第I、III层为打印在PET膜上的“I”形ITO电阻薄膜，为亚波长结构，沿x‑轴分布；第II层是由“工”形金属结构和两个金属贴片组成，构成双模金属谐振器，沿y轴分布；第I、III层电阻薄膜工作在x极化波下，第II层金属结构工作在y极化波下；第I、III层的电阻薄膜与第二层的金属结构正交分布；本发明双功能集成器件可以提供极化依赖的电磁调控与功能，具有效率高、易加工和厚度较小等优势。

Description

基于幅度和相位调控的双功能超表面集成器件及设计方法
技术领域
本发明属于超表面电磁调控技术领域，具体涉及能够实现多种功能的超表面集成器件及其设计方法。
背景技术
作为超材料的二维形式，超表面因其强大的电磁操纵能力受到各国研究者的广泛关注，成为科学界的研究热点之一。因为这些自然材料所不具备的独特电磁特性，各种微波器件被设计和报道。其中，为满足在单一平板上实现多功能集成的需求，各种依赖于极化选择的双功能超表面被研究和设计。但是，以上大部分双功能超表面的实现仅仅依赖于两个线极化状态下的相位调控。实际上，幅度调控作为电磁波另外一个重要自由度，已经被广泛应用到了吸波器和其它相关的应用中。尽管在幅度和相位调控集成方面已经取得了***的研究成果，但它们都是同时在一个线极化通道下被实现，并不能在两个完全分离的线极化状态下单独被调控，严重阻碍了实际应用。目前，通过两个正交线极化下单独的幅度和相位调控来实现双功能的设计方法仍处于起步阶段，其工作机理仍然是模糊的。这个迫切的任务促使我们寻找一种通过极化选择的幅度和相位调控实现双功能超表面的设计方法。
发明内容
本发明目的在于提出一种在两个不同线极化波激发下，能够对电磁波的幅度和相位进行单独调控的双功能超表面集成器件及其设计方法。
本发明提供的双功能超表面集成器件，是基于ITO电阻薄膜和金属结构所构造的各向异性单元的，其在x极化波入射下可对反射幅度进行调控，在y极化波入射下可对反射相位进行调控，即双功能调控。如图1所示，两个双功能超表面集成器件在x极化波激发时，实现相似的宽带吸波功能(记为F1)；在y极化波激发时，分别实现多波束辐射和均匀散射功能(记为F2)。
本发明提供的双功能超表面集成器件，由M*M个具有不同尺寸的超表面单元在平面内等间距周期延拓排列组成；要想实现图1所示的双功能集成器件，该超表面单元必须是各向异性结构，如图2所示。所述超表面单元为方形，周期(即超表面单元的长度)均为p；该超表面单元具体由金属地板、一个三层结构和两层介质板组成；该三层结构从上到下依次记为第I层、II层和III层；金属地板是最底层；第I层和第III层为打印在PET膜上的“I”形ITO电阻薄膜，为亚波长结构，沿x-轴分布，两层的表面电阻和结构完全一样；第II层是由“工”形金属结构和对称分布在其两侧的两个平行的金属贴片组成，构成双模金属谐振器(简称金属结构)，沿y轴分布；2层介质板中，第一介质板在第II层双模金属谐振器和第III层ITO电阻薄膜之间，第二介质板在第III层ITO电阻薄膜与金属地板之间；第I层和第III层的ITO电阻薄膜工作在x极化波下，第II层金属结构工作在y极化波下；第I层和第III层的“I”形ITO电阻薄膜与第二层的金属结构正交分布，以保证各极化正常工作，也保证很低的交叉极化串扰；
记各单元的结构参数如下：“I”形ITO电阻薄膜线宽度为w2，长度为l；双模金属谐振器结构长度为a，各部分的线宽度均为w1，“工”形结构两端金属条长度为t，“工”形结构与金属贴片的间隙均为g。h1和h2分别为第一介质板、第二介质板的厚度。H为超表面单元的高度(或称厚度)。
其中，PET膜的厚度为0.175mm，介电常数为3，损耗角正切为0.003。
根据双功能集成器件要求，本发明对超表面单元结构进行优化设计，具体步骤如下。
第一步：将ITO电阻薄膜结构引入集成器件的双功能超表面单元，构建幅度调控模式
首先，同一个对角反射矩阵
Figure GDA0002761590670000021
来描述具有镜像对称性的共极化反射单元；式中，rxx和ryy分别代表着x和y极化波的反射系数；要求在一个很宽的带宽内实现可调的|rxx|(|ryy|)，而|ryy|(|rxx|)＝1；在此条件下，共极化反射单元在x极化波或y极化波激发时表现出幅度调控功能，而全反射y极化波或x极化波；并且通过改变金属结构的几何尺寸，可以在交叉极化下实现反射相位
Figure GDA0002761590670000022
的独立调控；
然后，如图3所示，结构仅仅分布图3(a)和(b)所示的方向沿x轴的第III层或第I层ITO时，同向和反向的电流集中在第III层和金属地板之间，以及第I层和金属地板之间，仅仅单个电磁谐振或磁谐振模式被激发；而结构同时分布有如图3(c)和(d)所示的第I层和第III层ITO时，由于多层之间的耦合，在第I层和第III层之间，以及第I层和地板之间在低频和高频处分别产生了反向和同向的电流分布，表明磁谐振和电谐振模式被激发；多个谐振模式的共同作用，可以有效解决工作宽带问题。因此，本发明选择ITO电阻薄膜分别分布在第I层和第III层的双层ITO单元，用于在x极化波激励下实现幅度调控功能；ITO电阻薄膜结构和金属结构正交分层分布，保证了各极化正常工作，能够很好地解决x极化波激励下的幅度调控带宽和交叉极化下的耦合问题；
最后，通过改变双层ITO的表面电阻Rs，使在笛卡尔坐标系(x，y，z)下，共极化反射单元的反射矩阵满足rxx随Rs的变化而变化，这时单元在x极化波激励下具有可调的反射幅度；
为验证幅度调控和亚波长特性，设周期p＝8.5mm。如图4所示，通过仿真可得，当l＝8mm，w2＝0.8mm时，x极化波激发下，随着Rs从5Ω/sq增加到35Ω/sq，反射幅度逐渐减低，这符合本发明预期设计目的。说明本发明可以通过改变ITO的表面电阻实现反射幅度的调控。更重要的是，当ITO表面电阻为35Ω/sq时，单元在7.8～19GHz的频段内，实现了-10dB以下的反射幅度，这为后面实现宽带吸波功能奠定了基础。
第二步：将双模金属谐振器引入集成器件的双功能超表面单元，构建相位调控模式
基于以上ITO电阻薄膜模型，对单模和双模“工”形金属谐振器电磁特性进行对比分析，单模“工”形金属谐振器反射相位未能达到360°覆盖范围。因此，本发明选择双模金属结构作为第II层，其方向沿y轴分布；由于ITO电阻薄膜的吸波特性，单元不仅吸收x极化波，而且也会使y极化波反射幅度的降低；因此，通过设计ITO电阻薄膜的长度l和宽度w2，降低ITO对y极化波反射幅度的影响；当l＝8mm，0.6≤w2≤0.8mm时，ITO电阻薄膜对y极化波反射幅度的影响可以被忽略；这时，单元在y极化波的激励下，通过改变“工”形金属谐振器的长度a，可以实现主极化反射相位
Figure GDA0002761590670000031
在360°范围内的任意调控，同时，|ryy|接近于1；如图5(a)所示，通过仿真可得当g＝0.2mm，w1＝0.4mm，t＝2.4mm时，y极化波激发下，通过改变“工”形金属谐振器的长度a，单元在12.5GHz处实现了360°的反射相位覆盖范围；与此同时，如图5(b)所示，不同单元的反射幅度也维持在了接近于1的水平。
第三步：合成最终具幅度和相位调控的集成器件的双功能超表面单元
有了第一步的幅度调控结构和第二步的相位调控结构，就可以构建最终兼幅度和相位调控一体的三层单元结构；最终合成的结构中，第I和第III层是阻值和结构完全一样的“I”形ITO电阻薄膜，而第II层是“工”形双模金属谐振器，最底层是连续金属地板；ITO电阻薄膜结构和金属结构正交分布，保证了各极化正常工作，也保证了很低的交叉极化串扰使得最终超表面在相互正交的线极化波激励下实现幅度和相位的独立调控；
除“工”形谐振器的长度a和表面电阻Rs之外，优化确定单元其它结构参数，具体如下：g＝0.2mm，w1＝0.4mm，w2＝0.8mm，l＝8mm，h1＝1mm，h2＝2mm，t＝2.4mm；金属为金属铜，厚度为0.036mm。介质板为介电常数εr为2.65的聚四氟乙烯(F4B)。
第四步：预定双功能超表面集成器件的特定功能，确定ITO表面电阻和相位分布
将宽带吸波分别与多波束辐射和均匀散射集成作为两个双功能超表面集成器件的两个功能；根据前三步分析，超表面单元在两个正交极化下可实现幅度和相位的独立调控。因此，可以通过选择第I层和第III层ITO电阻薄膜的表面电阻，实现x极化波激发下的宽带吸波功能，通过构造第II层金属结构的相位分布，实现y极化波激发下的多波束辐射或均匀散射功能；
本发明中，选择两个双功能超表面集成器件的ITO表面电阻为35Ω/sq，来实现x极化波激发下的宽带吸波功能；在y极化波激发下，通过交替投影算法[1]优化多波束辐射功能的相位分布，运用随机相位分布[2]实现均匀散射功能；相位分布如图6所示。
第五步：根据预定功能和计算的相位分布，确定双功能超表面集成器件的拓扑结构，即口径上每个三层超表面单元的结构，实现双功能集成器件
首先，两个双功能超表面集成器件的第I和第III层均采用均匀分布的表面电阻为35Ω/sq的ITO电阻薄膜，来实现x极化波激励下的宽带吸波功能(即功能一，F1)；然后，在保持第I和第III层不变的情况下，在第II层引入非均匀分布的“工”形金属结构；在4<a<8mm的范围内，以0.1mm为步长，改变金属长度a，保持其他结构参数不变，使两个器件的相位分布分别满足特定的相位分布，如图5所示，来实现y极化波激励下的四波束辐射和均匀散射(即功能二，F2)。
由本发明方法，优化的结构参数具体如下：p＝8.5mm，H＝3.422mm，g＝0.2mm，w1＝0.4mm，w2＝0.8mm，l＝8mm，h1＝1mm，h2＝2mm，t＝2.4mm；金属为金属铜，厚度为0.036mm；ITO表面电阻为35Ω/sq。
本发明基于ITO电阻薄膜和金属谐振器所构成的各向异性单元，给出了两种在两个线极化状态下实现两种特定功能的双功能超表面集成器件及其设计方法。双功能超表面集成器件能够单独对x和y极化下电磁波进行电磁调控，具有易加工，剖面小和效率高等优势。
附图说明
图1为极化选择的双功能超表面集成器件功能示意图。
图2为双功能超表面集成器件中的单元结构示意图。
图3为x极化波激发下ITO和金属地板的电流分布。
图4为x极化波激发下，不同表面电阻值下超表面单元的反射幅度。
图5为y极化波激发下，不同结构尺寸下双功能超表面集成器件单元的(a)反射相位和(b)反射幅度。
图6为y极化波激发下(a)四波束辐射功能的相位分布和(b)均匀散射功能的相位分布。
图7为x极化波激发下双功能超表面集成器件I与相同大小的金属板在xoz面内的(a)远场散射方向图和(b)近场电场分布图。
图8为x极化波激发下仿真和测试吸收率。
图9为四波束辐射功能的仿真示意图。
图10为理论计算的四波束远场辐射图。
图11为在4个不同频率处的三维远场辐射图。
图12为(a)远场测试装置和(b)近场测试装置。
图13为4个代表频率处E面内二维远场辐射方向图的测试和仿真结果。
图14为4个代表频率处H面内二维远场辐射方向图的测试和仿真结果。
图15为4个不同代表频率处xoy面内近场测试结果。
图16为不同频率下双功能超表面集成器件I四波束辐射功能的仿真、测试增益和口径效率。
图17为x极化波激发下双功能超表面集成器件II与相同大小的金属板在xoz面内的(a)远场散射方向图和(b)近场电场分布图。
图18为x极化波激发仿真和测试吸收率。
图19为y极化波激发下，双功能超表面集成器件II与相同大小的金属板在3个不同频率处的三维远场方向图。
图20为y极化波激发下，双功能超表面集成器件II的(a)单站和双站RCS减缩仿真结果和(b)单站RCS减缩仿真和测试结果。
具体实施方式
下面以两个实例详述双功能超表面集成器件的具体实施方式。
1、集成吸波和四波束辐射的双功能超表面集成器件I
首先，设计x极化波激励下的宽带吸波，即功能F1。在超表面集成器件的第I和第III层均匀排布Rs＝35Ω/sq的“I”形ITO单元，可在x极化波激励下实现宽带吸波。整个超表面集成器件由28×28个单元组成，采用商业仿真软件CST对阵列结构进行FDTD仿真计算[2]，仿真过程中，采用电场沿x方向的平面波照射。如图7(a)所示，由xoz面的三维散射方向图可知，相对于相同大小的裸金属板(PEC)，超表面集成器件实现了超过10dB的RCS减缩。并且通过图7(b)所示的xoz面的电场分布可以看出，超表面集成器件相对于PEC表现出了相当弱的电场分布。为定量研究它的吸波性能，我们仿真和测试了它的吸收率。如图8所示，仿真和测试结果吻合良好，超表面集成器件在7.8～19GHz的频段内实现了大于90％的吸收率。
下面讨论y极化波激发时相位调控模式，即四波束辐射功能F2。这里，用交替投影算法来优化超表面集成器件中第II层的相位剖面。最终计算的第II层相位分布如图6(a)所示，相位分布沿x和y方向表现出了两重对称性。如图9所示，口径为44mm×24mm的y极化喇叭(cosq(θ)，这里q是波束调制因子)作为馈源被安置在了距超表面集成器件中心F＝140mm位置处。其中，馈源喇叭的物理尺寸如下：a＝22.86mm，b＝10.16mm，L＝30mm。为易于表征且不失一般性，四个均匀幅度的笔尖形波束指向分别被预设为φ1＝0°、φ2＝90°、φ3＝180°和φ4＝270°，俯仰角均为θ＝30°。优化过程中，天线中心工作频率预定为f0＝12.5GHz。馈源喇叭在f0处的增益大约为10dB。理论计算的高定向四波束三维远场辐射图如图10所示。图10表明，四个具有均匀幅度的高定向波束指向了空间中4个不同的方向，更重要的是，旁瓣区域的幅度都处在-30dB以下。
为进行验证，在CST全波仿真软件中，采用波导端口激发馈源，如图11所示，在12、12.5、13和13.5GHz处，四个具有均匀电场强度的高增益高定向波束对称性地指向了四个不同的方向，与理论计算完全吻合。其中，在f0处，四波束反射阵的增益峰值为21.2dB，根据方程
Figure GDA0002761590670000061
计算出相应的口径效率为38.6％，式中，N代表着波束数目，A是超表面口径面积。
最后通过实验表征四波束辐射性能，如图12所示，整个测试过程分为两部分：远场测试和近场测试。远场测试用于测试四波束方向图，在测试时，馈源和超表面集成器件固定在一起被置于可以绕中心轴旋转的圆柱泡沫中心，而工作在8～18GHz的标准增益喇叭被放置在距样品10m的圆柱泡沫上，用来接收辐射场。在测试过程中所有电磁波信号均由一台AV3672B矢量网络分析仪发射。另一方面，在测试近场的时候，馈源和超表面集成器件同样被固定在一起被置于圆柱泡沫，馈源和超表面集成器件保持F＝140mm的水平距离。一个6mm长的单极子天线作为接收天线被放置在距馈源70mm处的位置，用于探测反射电磁波的信号。其中馈源和接收天线分别连接在矢量网络分析仪的2个端口上。单极子天线被固定在2维平面自动扫描***上，扫描的区域为0.4m×0.4m，步进为5mm。
如图13和14所示，E面和H面远场辐射图的仿真和测试结果相互吻合，在E面和H面内表现出了几乎相同的远场辐射行为，即两个具有相同电场强度的主波束对称性地指向了两个方向。近场测试结果如图15所示，4个电场密度几乎相同的亮斑对称地分布在了xoy平面内的四个区域，说明了辐射能量都集中在了四个方向。如图16所示，天线的口径效率在f0处达到了38.5％的峰值，而其它频率处天线口径效率低于设计频率的口径效率，其主要原因单元在其它频率处反射相位失真导致的。
2、集成吸波和均匀散射的双功能超表面集成器件II
首先，设计x极化波激励下的宽带吸波，即功能F1。这里，本发明采用与第一个超表面集成器件相同的设计方法去实现宽带吸波，不再重复赘述。整个超表面集成器件由28×28个单元组成，采用商业仿真软件CST对阵列结构进行FDTD仿真计算[2]，仿真过程中，采用电场沿x方向的平面波照射。如图17(a)所示，由xoz面的三维散射方向图可知，跟相同尺寸的PEC对比可以看出，超表面集成器件实现了超过10dB的RCS减缩。并且通过图17(b)所示的xoz面的电场分布可以看出，超表面集成器件表现出了相当弱的反射电场强度。为定量研究它的吸波性能，我们仿真和测试了它的吸收率。如图18所示，仿真和测试结果吻合良好，超表面集成器件在7.8～19GHz的频段内实现了大于90％的吸收率。
下面讨论y极化波激发时相位调控模式，即均匀散射功能F2。首先，我们运用MATLAB[4]生成超表面集成器件中第II层的随机相位分布。如图6(b)所示，相位分布呈随机状态分布在二维平面。采用全波仿真软件CST(2018)对超表面进行了仿真验证。如图19所示，与相同尺寸的裸金属板相比，超表面集成器件实现了电磁波的均匀散射。图20(a)的仿真结果表明，超表面集成器件可以在8.2～19.2GHz(相对带宽为80％)的频段内实现超过10dB的单站和双站RCS减缩性能。在图20(b)给出了仿真和测试的单站RCS减缩，两者吻合良好，均在7.5～19.2GHz的频段内实现了超过10dB的RCS减缩。
参考文献
[1]Xu HX,Tang SW,Zhou L,et al.Flexible control of highly-directiveemissions based on bifunctional metasurfaces with low polarization cross-talking.Ann.Phys.2017；529:1700045.
[2]Y.Zhang,L.Liang,J.Yang,et al.Broadband diffuse terahertzwavescattering by flexible metasurfacewith randomized phasedistribution.Sci.Rep.,2016,6:26875.
[3]CST China,CST微波工作室实用算例汇编，上海软波工程软件有限公司，页码：739～787。
[4]丁毓峰，MATLAB从入门到精通，化学工业出版社，页码：72～73。

Claims (4)

1.一种基于幅度和相位调控的双功能超表面集成器件，其特征在于，由M*M个具有不同尺寸的超表面单元在平面内等间距周期延拓排列组成；其中，所述超表面单元是各向异性结构；该超表面单元为方形，具体由金属地板、一个三层结构和两层介质板组成；该三层结构从上到下依次记为第I层、II层和III层；金属地板是最底层；第I层和第III层为打印在PET膜上的“I”形ITO电阻薄膜，为亚波长结构，沿x-轴分布，两层的表面电阻和结构完全一样；第II层是由“工”形金属结构和对称分布在其两侧的两个平行的金属贴片组成，构成双模金属谐振器，沿y轴分布；2层介质板中，第一介质板在第II层双模金属谐振器和第III层ITO电阻薄膜之间，第二介质板在第III层ITO电阻薄膜与金属地板之间；第I层和第III层的ITO电阻薄膜工作在x极化波下，第II层金属结构工作在y极化波下；第I层和第III层的“I”形ITO电阻薄膜与第II层的金属结构正交分布，以保证各极化正常工作，也保证很低的交叉极化串扰；所述超表面单元在两个正交极化下可以实现幅度和相位的独立调控；通过选择第I层和第III层ITO电阻薄膜的表面电阻，实现x极化波激发下的宽带吸波功能，通过构造第II层金属结构的相位分布，实现y极化波激发下的多波束辐射或均匀散射功能；
记各单元的结构参数如下：“I”形ITO电阻薄膜线宽度为w2，长度为l；双模金属谐振器结构长度为a，各部分的线宽度均为w1，“工”形金属结构两端金属条长度为t，“工”形金属结构与金属贴片的间隙均为g；第一介质板、第二介质板的厚度分别为h1和h2；周期为p，即超表面单元的长度；H为超表面单元的厚度。
2.根据权利要求1所述的基于幅度和相位调控的双功能超表面集成器件，其特征在于，优化的所述超表面单元的结构参数如下：p＝8.5mm，H＝3.422mm，g＝0.2mm，w1＝0.4mm，w2＝0.8mm，l＝8mm，h1＝1mm，h2＝2mm，t＝2.4mm；金属为金属铜，厚度为0.036mm；ITO表面电阻为35Ω/sq。
3.一种如权利要求1所述的双功能超表面集成器件的设计方法，其特征在于，所述双功能超表面集成器件由M*M个具有不同尺寸的超表面单元在平面内等间距周期延拓排列组成；其中超表面单元的优化设计，具体步骤如下：
第一步：将ITO电阻薄膜结构引入集成器件的双功能超表面单元，构建幅度调控模式
首先，同一个对角反射矩阵
Figure FDA0003514406470000011
来描述具有镜像对称性的共极化反射单元；式中，rxx和ryy分别代表着x和y极化波的反射系数；要求在一个带宽内实现可调的|rxx|且|ryy|＝1，或者要求在一个带宽内实现可调的|ryy|且|rxx|＝1；在此条件下，共极化反射单元在x极化波或y极化波激发时表现出幅度调控功能，而全反射y极化波或x极化波；并且通过改变双模金属谐振器的几何尺寸，在交叉极化下实现反射相位
Figure FDA0003514406470000021
和
Figure FDA0003514406470000022
的分别独立调控；
选择ITO电阻薄膜分别分布在第I层和第III层的双层ITO单元，用于在x极化波激励下实现幅度调控功能；ITO电阻薄膜结构和双模金属谐振器正交分层分布，保证各极化正常工作，并解决x极化波激励下的幅度调控带宽和交叉极化下的耦合问题；
最后，通过改变双层ITO的表面电阻Rs，使得在笛卡尔坐标系(x，y，z)下，共极化反射单元的反射矩阵满足rxx随Rs的变化而变化，这时单元在x极化波激励下具有可调的反射幅度；
第二步：将双模金属谐振器引入集成器件的双功能超表面单元，构建相位调控模式
基于以上ITO电阻薄膜模型，对单模和双模金属谐振器电磁特性进行对比分析，选择双模金属结构作为第II层，其方向沿y轴分布；由于ITO电阻薄膜的吸波特性，单元不仅吸收x极化波，而且也使y极化波反射幅度的降低；于是，通过设计ITO电阻薄膜的长度l和宽度w2，降低ITO对y极化波反射幅度的影响；当l＝8mm，0.6≤w2≤0.8mm时，ITO电阻薄膜对y极化波反射幅度的影响可以被忽略；这时，单元在y极化波的激励下，通过改变“I”形ITO电阻薄膜的长度l,以实现主极化反射相位
Figure FDA0003514406470000023
在360°范围内的任意调控，同时，|ryy|接近于1；
第三步：合成最终具幅度和相位调控的集成器件的双功能超表面单元
基于第一步的幅度调控结构和第二步的相位调控结构，构建最终兼幅度和相位调控一体的三层单元结构；最终合成的结构中，第I层和第III层是阻值和结构完全一样的“I”形ITO电阻薄膜，而第II层是双模金属谐振器，最底层是连续金属地板；ITO电阻薄膜结构和双模金属谐振器正交分布，保证各极化正常工作，也保证很低的交叉极化串扰，使得最终超表面在相互正交的线极化波激励下实现幅度和相位的独立调控；
第四步：预定双功能超表面集成器件的特定功能，确定ITO表面电阻和相位分布
将宽带吸波分别与多波束辐射和均匀散射集成作为两个双功能超表面集成器件的两个功能；根据前三步，超表面单元在两个正交极化下可以实现幅度和相位的独立调控；据此，通过选择第I层和第III层ITO电阻薄膜的表面电阻，实现x极化波激发下的宽带吸波功能，通过构造第II层双模金属谐振器的相位分布，实现y极化波激发下的多波束辐射或均匀散射功能；
选择两个双功能超表面集成器件的ITO表面电阻为35Ω/sq，来实现x极化波激发下的宽带吸波功能；在y极化波激发下，通过交替投影算法优化多波束辐射功能的相位分布，运用随机相位分布算法实现均匀散射功能；
第五步：根据预定功能和计算的相位分布，确定双功能超表面集成器件的拓扑结构，即口径上每个三层超表面单元的结构，实现双功能集成器件
首先，两个双功能超表面集成器件的第I层和第III层均采用均匀分布的表面电阻为35Ω/sq的ITO电阻薄膜，来实现x极化波激励下的宽带吸波功能；然后，在保持第I层和第III层不变的情况下，在第II层引入非均匀分布的“工”形金属结构；改变金属长度a，保持其他结构参数不变，使两个器件的相位分布分别满足特定的相位分布，来实现y极化波激励下的四波束辐射和均匀散射。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，超表面集成器件中各单元除“工”形金属谐振器的长度a以外其它结构参数保持不变；优化的结构参数具体如下：p＝8.5mm，H＝3.422mm，g＝0.2mm，w1＝0.4mm，w2＝0.8mm，l＝8mm，h1＝1mm，h2＝2mm，t＝2.4mm；金属为金属铜，厚度为0.036mm；ITO表面电阻为35Ω/sq。
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