[發明專利]一種用于電磁波調控的反射式超表面單元結構

在審

• 申請號: 202011553029.4
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN114665276A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 武超;李宏強;李權;趙松;張智輝
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 龐許倩

本發明涉及一種用于電磁波調控的反射式超表面單元結構，屬于超表面電磁調控技術領域，解決了現有超表面單元結構的工作頻帶窄、效率低、相位難以調制、以及極化調控單一、使用場景受限的問題。該元結構包括：沿電磁波正入射方向依次排列的矩形導體片、介質層以及導體板，該介質層覆蓋導體板，矩形導體片和導體板為該電磁波頻段下對應的完美電導體；其中，矩形導體片、介質層和導體板具有相同的幾何中心，且矩形導體片的長軸與導體板的水平軸呈預定夾角，預定夾角為矩形導體片的方向角，該方向角與電磁波的幅度和相位相關。該超表面單元結構的工作頻帶寬、效率高，對相位和幅度的調控靈活，且極化調控方式多樣化，能夠適用多種使用場景。

技術領域

本發明涉及超表面電磁調控技術領域，尤其涉及一種用于電磁波調控的反射式超表面單元結構。

背景技術

超材料作為一種電磁波調控器件，對電磁波的幅度、相位以及極化都有著一定的調控能力，目前已經實現了在波束偏折、波束聚焦、渦旋波束、貝塞爾波束等方面的應用。然而，隨著波束調控需求的不斷提升，人們已不滿足于電磁波幅度或相位的單一調控，而是追求更多功能、更為靈活的調控方式，這也大大提升了對超材料單元結構的性能要求。超表面作為一種2D形式的超材料，不僅具備電磁波調控功能，而且具備厚度薄、極易實現小型化和集成化等特點，近些年受到了人們的廣泛關注。

超表面作為一種可調控的電磁波器件，可用于特殊波束的生成。其中，艾利波束作為一種特殊波束，具有無衍射、自彎曲、自修復等特性，現已成為近些年的研究熱點。現有技術中，可通過以下方式生成艾里波束：第一，通過光學器件生成艾里波束，這種方法需要用到大量光學器件，其缺陷是空間使用率低、不易集成等，嚴重限制了超表面器件的發展。第二，在光頻段，可利用介質柱超表面作為結構單元生成艾里波束，這種方法只能實現波束的相位調控，通過空間光的衍射形成艾里波束；同時，通過該方法生成的艾里波束質量比較差，可用的艾里波束范圍在傳播方向極易受到限制。第三，在微波段及紅外波段，通過超表面器件生成雙頻艾里波束，還可同時生成透射形式和表面等離子激元的艾里波束等。當利用等離子激元產生艾里波束時，由于通過這種方式生成的艾里波束處于金屬層表面，因此，極大的限制了波束的使用空間。此外，現有技術中，還存在多種通過復雜的超表面設計生成艾里波束的方法，例如多層膜設計、復雜的貼片形狀、多層復雜的惠更斯超表面等，這些復雜設計使得器件加工困難，而且器件本身的功能單一。

現有技術至少存在以下缺陷，一是無法對電磁波的幅度和相位同時調控、以及無法對電磁波的幅度和極化同時調控，且工作頻帶窄、效率低、調控方式復雜、極化調控方式單一，使用場景受限；二是現有超表面結構通常需要改變其結構尺寸才能實現對相位或對幅度的調控，調控方式靈活度低，且加工難度大，不易集成，提高了制造成本。

發明內容

鑒于上述的分析，本發明旨在提供一種用于電磁波調控的反射式超表面單元結構，用以解決現有超表面單元結構的工作頻帶窄、效率低、相位和幅度難以獨立調制、以及極化調控單一、使用場景受限的問題。

一方面，本發明實提供了一種用于電磁波調控的反射式超表面單元結構，包括：沿電磁波正入射方向依次排列的矩形導體片、介質層以及導體板，所述介質層覆蓋所述導體板，所述矩形導體片和所述導體板為該電磁波頻段下對應的完美電導體；

其中，所述矩形導體片、介質層和導體板具有相同的幾何中心，且所述矩形導體片的長軸與導體板的水平軸呈預定夾角，所述預定夾角為矩形導體片的方向角，所述方向角與該電磁波的幅度和相位相關。

進一步的，所述導體片的方向角與線極化入射電磁波轉極化反射系數的幅度滿足下述關系：

A₁＝A_1(45°)|sin(2θ₁)|，