[發明專利]基于幅度和相位調控的雙功能超表面集成器件及設計方法

有效

• 申請號: 202011074877.7
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112201961B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 許河秀;王朝輝;王彥朝;王少杰;王明照
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;H01Q17/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于超表面電磁調控技術領域，具體為一種基于幅度和相位調控的雙功能超表面集成器件及設計方法。本發明雙功能超表面集成器件由M*M個超表面單元在平面內延拓排列組成；該超表面單元為各向異性結構，由金屬地板、一個三層結構和兩層介質板組成；三層結構中，第I、III層為打印在PET膜上的“I”形ITO電阻薄膜，為亞波長結構，沿x?軸分布；第II層是由“工”形金屬結構和兩個金屬貼片組成，構成雙模金屬諧振器，沿y軸分布；第I、III層電阻薄膜工作在x極化波下，第II層金屬結構工作在y極化波下；第I、III層的電阻薄膜與第二層的金屬結構正交分布；本發明雙功能集成器件可以提供極化依賴的電磁調控與功能，具有效率高、易加工和厚度較小等優勢。

技術領域

本發明屬于超表面電磁調控技術領域，具體涉及能夠實現多種功能的超表面集成器件及其設計方法。

背景技術

作為超材料的二維形式，超表面因其強大的電磁操縱能力受到各國研究者的廣泛關注，成為科學界的研究熱點之一。因為這些自然材料所不具備的獨特電磁特性，各種微波器件被設計和報道。其中，為滿足在單一平板上實現多功能集成的需求，各種依賴于極化選擇的雙功能超表面被研究和設計。但是，以上大部分雙功能超表面的實現僅僅依賴于兩個線極化狀態下的相位調控。實際上，幅度調控作為電磁波另外一個重要自由度，已經被廣泛應用到了吸波器和其它相關的應用中。盡管在幅度和相位調控集成方面已經取得了豐碩的研究成果，但它們都是同時在一個線極化通道下被實現，并不能在兩個完全分離的線極化狀態下單獨被調控，嚴重阻礙了實際應用。目前，通過兩個正交線極化下單獨的幅度和相位調控來實現雙功能的設計方法仍處于起步階段，其工作機理仍然是模糊的。這個迫切的任務促使我們尋找一種通過極化選擇的幅度和相位調控實現雙功能超表面的設計方法。

發明內容

本發明目的在于提出一種在兩個不同線極化波激發下，能夠對電磁波的幅度和相位進行單獨調控的雙功能超表面集成器件及其設計方法。

本發明提供的雙功能超表面集成器件，是基于ITO電阻薄膜和金屬結構所構造的各向異性單元的，其在x極化波入射下可對反射幅度進行調控，在y極化波入射下可對反射相位進行調控，即雙功能調控。如圖1所示，兩個雙功能超表面集成器件在x極化波激發時，實現相似的寬帶吸波功能(記為F₁)；在y極化波激發時，分別實現多波束輻射和均勻散射功能(記為F₂)。

本發明提供的雙功能超表面集成器件，由M*M個具有不同尺寸的超表面單元在平面內等間距周期延拓排列組成；要想實現圖1所示的雙功能集成器件，該超表面單元必須是各向異性結構，如圖2所示。所述超表面單元為方形，周期(即超表面單元的長度)均為p；該超表面單元具體由金屬地板、一個三層結構和兩層介質板組成；該三層結構從上到下依次記為第I層、II層和III層；金屬地板是最底層；第I層和第III層為打印在PET膜上的“I”形ITO電阻薄膜，為亞波長結構，沿x-軸分布，兩層的表面電阻和結構完全一樣；第II層是由“工”形金屬結構和對稱分布在其兩側的兩個平行的金屬貼片組成，構成雙模金屬諧振器(簡稱金屬結構)，沿y軸分布；2層介質板中，第一介質板在第II層雙模金屬諧振器和第III層ITO電阻薄膜之間，第二介質板在第III層ITO電阻薄膜與金屬地板之間；第I層和第III層的ITO電阻薄膜工作在x極化波下，第II層金屬結構工作在y極化波下；第I層和第III層的“I”形ITO電阻薄膜與第二層的金屬結構正交分布，以保證各極化正常工作，也保證很低的交叉極化串擾；

記各單元的結構參數如下：“I”形ITO電阻薄膜線寬度為w₂，長度為l；雙模金屬諧振器結構長度為a，各部分的線寬度均為w₁，“工”形結構兩端金屬條長度為t，“工”形結構與金屬貼片的間隙均為g。h₁和h₂分別為第一介質板、第二介質板的厚度。H為超表面單元的高度(或稱厚度)。

其中，PET膜的厚度為0.175mm，介電常數為3，損耗角正切為0.003。