CN112636001B - 一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面。所述编码表面是由多个单元构成，通过调整单元顶层和底层单元开口和朝向实现同时对透射和反射电磁波的相位和幅度的准确调控，且相位与幅度相互独立。在不同频率的电磁波入射条件下，单元可以对反射或透射的电磁波做出有效调控，实现了超表面对全空间电磁波的有效控制。本发明中提出的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超材料具有良好的频率隔离度，可以确保超表面对反射和透射电磁波的独立调控，在无线通信、雷达、成像、信号处理等领域都有重要的应用前景。

Description

一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面
技术领域
本发明是一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面属于天线技术领域 和新型人工电磁超材料领域。
背景技术
超材料，有时也称新型人工电磁材料、新型人工电磁媒质、特异介质等，英文名Metamaterials，拉丁语“meta-”表达有“超出”之意。超材料就是将具有特定几何形 状的宏观基本单元周期性或非周期性排列，使其具有天然材料所不具备的超常电磁特性 的人工复合结构或人工复合材料。由于电磁超材料可以实现对电磁波灵活的调控，电磁 超材料在电磁隐身方面展现出了极大的应用价值，受到国内外军事领域的广泛关注。近 几年来，全空间电磁超材料及超表面作为超材料重点研究分支之一，在实现电磁波的多 功能应用方面有极大的应用价值。
全空间电磁超表面是在二维形式下的超材料，通常是由周期或非周期的二维亚波长 结构单元阵列组成。与普通的电磁超表面相比，全空间电磁超表面可以同时调控超表面上亚波长结构单元的反射和透射的幅值和相位空间分布，从而实现对透射和反射电磁波的波阵面，极化方式，传播方向的自由调控。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表 面，可以实现对超表面的透射和反射电磁波的独立调控。在透射空间内，当入射电磁波的频率为7GHz时，基本单元可以对入射电磁波的透射幅度和相位进行独立调制；当入 射电磁波的频率为17GHz时，基本单元可以对入射电磁波反射的幅度和相位进行独立调 制。通过调整超表面的相位和幅度响应分布，实现对全空间电磁波的精确调控。
技术方案：本发明的一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，采用以 下技术方案：该数字编码超表面由45×45个基本单元周期排列构成，每个基本单元由依次堆叠有第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层构成；第 一金属层为C形金属环，第二金属层为刻有C形金属槽的金属层，第三金属层为C形金 属环；第一金属层C形环与第二金属层C形金属槽的开口大小和方向始终保持一致，第 三金属层的C形金属环开口方向与大小可进行独立设计，不受第一层金属环干扰；所有 的金属环的开口角度在-45度和+45度。
所述的基本单元结构周期为10mm。
所述第一介质层的厚度为3mm，第二介质层的厚度为3mm，这两个介质层的介电常数为2.2和2.65，正切损耗角为0.001。
所述的第一金属层C形金属环的一侧具有开口，开口关于对角线对称；第二金属层为刻有C形金属槽的金属层，C形金属槽的几何结构与第一金属层相同。
所述的第三金属层为C形金属环，金属环的一侧具有开口，开口关于对角线对称；第三金属环层的直径要小于第一金属层的直径。
所述的第一金属层和第二金属层的C形金属环的开口方向和开口大小发生改变，透 射电磁波的幅度和相位被有效调制，透射相位与幅度与第一金属层和第三金属层C形金属环的开口大小和方向实现映射。
所述的第一金属层的幅度和相位设计标准为：
Figure BDA0002825782730000021
式中：N为超表面上基本单元的个数，An为超表面上第n个基本单元幅度与相位响应， Fn,dxn,dyn,为焦平面上第n个焦点的焦距和焦点在焦平面的位置坐标。
所述的第一金属层的幅度和相位设计标准可映射到第一金属层C形环的开口方向与开口大小；依照所得到的开口方向和开口大小，将所设计包含N×N单元的超表面上 第一金属层和第三金属层的C形环进行有序排列，实现在近范围内的多焦点聚焦功能， 并且焦点的个数和强度均可独立控制。
所述的第一金属层C形金属环、第二金属层C形金属槽、第三金属层C形金属环， 通过改变第一金属层与第三金属层C形环的开口方向α1，α2，以及第一金属层与第三 金属层C形环的开口大小β1和β2的值就可以实现对透射系数和反射系数的独立调控。
有益效果：本发明提出了一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，构 成超表面的基本单元具有同时独立调节幅度和相位的能力。当入射电磁波为7GHz时，透射电磁波的幅度和相位响应可以通过第一金属层和第二金属层的开口和朝向进行控制；当入射电磁波为17GHz时，反射电磁波的幅度和相位响应可以通过第三金属层的 开口和朝向进行调节，并且两个频率内的透射和反射响应相互独立，具有良好的频率隔 离度。本发明提出的一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超材料为全空间电磁 波的操控提供了巨大突破，与现有的全空间电磁超材料相比，本发明能够同时控制幅度 和相位响应，为电磁波的调控提供的更大的自由度，推动了全空间电磁超表面的发展。
附图说明
图1是基本单元的透视透视图，
图2是基本单元的结构尺寸。通过改变α1，α2，β1和β2的值就可以实现对透射 系数和反射系数的独立调控。
图3a为单元透射幅度随α1变化的仿真结果，图3b为单元透射相位随β1变化的仿 真结果。
图4a为单元反射幅度随α1变化的仿真结果，图4b为单元反射相位随β1变化的仿 真结果。
图5为超表面在XOY面的电场强度仿真图，入射频率为7GHz。
图6为超表面在YOZ和XOY面的电场强度仿真图，入射频率为7GHz。
图7为超表面仿真远场方向图，入射频率为17GHz。
图8为超表面测试远场方向图，入射频率为17GHz，Φ＝0度和90度。
图9为超表面测试近场电场强度，入射频率为7GHz，焦平面距离为80mm。
具体实施方式
本发明的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面由45×45个基本单元周 期排列构成，每个基本单元由依次堆叠有第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、 第二介质层4和第三金属层5构成；第一金属层1为C形金属环，第二金属层3为刻有 C形金属槽的金属层，第三金属层5为C形金属环；第一金属层1C形环与第二金属层 3C形金属槽的开口大小和方向始终保持一致，第三金属层5的C形金属环开口方向与大 小可进行独立设计，不受第一层金属环干扰；所有的金属环的开口角度在-45度和+45 度。
在透射空间形成4个强度不同的焦点，在反射空间形成4个波束。
所述的基本单元结构周期为10mm。
所述第一介质层2的厚度为3mm，第二介质层4的厚度为3mm，这两个介质层的介 电常数为2.2和2.65，正切损耗角为0.001。
所述的第一金属层1C形金属环的一侧具有开口，开口关于对角线对称；第二金属层3为刻有C形金属槽的金属层，C形金属槽的几何结构与第一金属层1相同。
所述的第三金属层5为C形金属环，金属环的一侧具有开口，开口关于对角线对称；第三金属环层5的直径要小于第一金属层1的直径。
所述的第一金属层1和第二金属层3的C形金属环的开口方向和开口大小发生改变， 透射电磁波的幅度和相位被有效调制，透射相位与幅度与第一金属层1和第三金属层3C 形金属环的开口大小和方向实现映射。
下面结合附图，对本发明提出的一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超材 料进行详细说明：首先设计全空间幅度相位独立可调的单元。用CST MWS电磁仿真软件仿真该单元，在两个工作频率7GHz和17GHz上，分别仿真得到传输和反射系数相位幅 度与变量α1，α2，β1和β2的变化关系。
其次，根据公式：
Figure BDA0002825782730000041
在7GHz频率下计算出入射波到达每一个单元时的相位和幅度，根据此式得到的相位和 幅度可以在不同焦距的焦平面形成多个焦点，焦点的强度和焦点的个数均可独立控制， 在本发明中在F＝80mm处，形成4个强度不同的焦点分别对称地分散在X轴和Y轴上， 其中Y轴上焦点的强度要比X轴上的焦点强度大3dB。在图4和图5中可以明显的观 察到，仿真结果与设计良好吻合。
在远场中，2bit的相位响应可以用于形成多个任意方向的波束。在本发明中，利用由45×45个基本单元组成，通过相应的反射相位响应，在远场中形成4个关于X轴和Y 轴对称的4波束。如图6所示，当单元的反射幅度均设置为0.8时，此时的每个波束的 强度比反射幅度设置为0.3时大7dB。
如图7所示，给出了由45×45个基本单元构成的超表面样本在80mm的焦平面处的测试电场强度结果，测试结果与仿真结果吻合良好。
如图8所示，给出了由45×45个基本单元构成的超表面样本在远场的方向图在Φ＝0 度和90度时的二维测试结果，测试结果与仿真结果吻合良好。

Claims (9)

1.一种双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，其特征在于：该数字编码超表面由45× 45个基本单元周期排列构成，每个基本单元由依次堆叠有第一金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、第二介质层(4)和第三金属层(5)构成；第一金属层（1）为C形金属环，第二金属层（3）为刻有C形金属槽的金属层，第三金属层（5）为C形金属环；第一金属层（1）C形环与第二金属层（3）C形金属槽的开口大小和方向始终保持一致，第三金属层（5）的C形金属环开口方向与大小可进行独立设计，不受第一层金属环干扰；所有的金属环的开口角度在-45度和+45度。
2.根据权利要求1所述的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，其特征在于：所述的基本单元结构周期为10mm。
3.根据权利要求1所述的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，其特征在于：所述第一介质层(2)的厚度为3mm，第二介质层(4)的厚度为3mm，这两个介质层的介电常数为2.2和2.65，正切损耗角为0.001。
4.根据权利要求1所述的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，其特征在于：所述的第一金属层（1）C形金属环的一侧具有开口，开口关于对角线对称；第二金属层（3）为刻有C形金属槽的金属层，C形金属槽的几何结构与第一金属层（1）相同。
5.根据权利要求1所述的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，其特征在于：所述的第三金属层（5）为C形金属环，金属环的一侧具有开口，开口关于对角线对称；第三金属层（5）的直径要小于第一金属层（1）的直径。
6.根据权利要求1所述的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，其特征在于：所述的第一金属层（1）和第二金属层（3）的C形金属环的开口方向和开口大小发生改变，透射电磁波的幅度和相位被有效调制，透射相位与幅度与第一金属层（1）和第二金属层（3）C形金属环的开口大小和方向实现映射。
7.根据权利要求6所述的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，其特征在于：所述的第一金属层（1）的幅度和相位设计标准为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：N为超表面上基本单元的个数，An为超表面上第n个基本单元幅度与相位响应，Fn, dxn, dyn, 为焦平面上第n个焦点的焦距和焦点在焦平面的位置坐标。
8.根据权利要求7所述的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，其特征在于：所述的第一金属层（1）的幅度和相位设计标准可映射到第一金属层（1）C形环的开口方向与开口大小；依照所得到的开口方向和开口大小，将所设计包含N×N单元的超表面上第一金属层（1）和第三金属层的C形环进行有序排列，实现在近范围内的多焦点聚焦功能，并且焦点的个数和强度均可独立控制。
9.根据权利要求1所述的双频段全空间幅度相位独立可调数字编码超表面，其特征在于：所述的第一金属层（1）C形金属环、第二金属层（3）C形金属槽、第三金属层（5）C形金属环，通过改变第一金属层与第三金属层C形环的开口方向α1，α2，以及第一金属层与第三金属层C形环的开口大小β1和β2的值就可以实现对透射系数和反射系数的独立调控。
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