[發明專利]波束可重構折紙空間序構梯度相位超表面及設計方法

在審

• 申請號: 202210517290.1
• 申請日: 2022-05-12
• 公開（公告）號: CN114914701A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 許河秀;羅慧玲;王明照;逄智超;徐碩;徐健
• 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
• 代理公司: 北京律譜知識產權代理有限公司 11457
• 代理人: 孟德洲

本申請公開了波束可重構折紙空間序構梯度相位超表面及設計方法，其中，該梯度相位超表面由m*n個周期排列的超單元組成且具有一定相位梯度；超單元由N個基本單元組成，每個基本單元由兩個空間對稱介質板和金屬地板組成，每個介質板上刻蝕有相同結構參數的金屬單方環諧振結構，每個介質板與金屬地板間的折疊角為β，相鄰基本單元覆有結構尺寸不同的金屬單方環諧振結構，構成的梯度相位為360°/N，改變單方環大小可調控每個基本單元的反射相位，而改變折疊角可操控電磁波的反射偏折角度。通過本申請中的技術方案，通過調節折疊角度調控電磁波的反射偏折角度，提升了梯度相位超表面的相位調控能力。

技術領域

本申請涉及超表面電磁調控的技術領域，具體而言，涉及波束可重構折紙空間序構梯度相位超表面及波束可重構折紙空間序構梯度相位超表面的設計方法。

背景技術

電磁波是無線通訊的必備條件，因此，人們非常希望能夠靈活的操控電磁波的產生、發射、傳播和接收。由于信道容量需求越來越大，對電磁調控器件的多功能需求也越來越高。隨著科研人員對電磁調控的深入研究，逐漸興起了基于超材料的電磁調控新領域，推動了信息技術實用化新進程。超材料是一種基于亞波長人工結構合成的新材料，與傳統材料相比，它可以靈活地操縱電磁波頻譜和波前，從而產生奇異的電磁現象，實現系列電磁器件和系統，也可實現很多傳統自然材料無法實現的電磁調控功能，如后向波、負折射、零相移等。

由于三維超材料損耗大、設計復雜、加工難度大等問題，研究人員目光逐漸由三維超材料轉向其二維結構，形成了電磁超表面。目前，電磁超表面主要用于極化、幅度、相位調控等，可以實現很多功能，如吸波、極化轉換等功能。并且，為了增強電磁波調控能力，設計出了相位梯度超表面，主要用于波束掃描、聚焦、電磁隱身、渦旋波束產生、波束賦形、復雜波前調控等，成為電磁調控中最常用的手段之一。

而現有技術中，常規的梯度相位超表面結構大多數為平面結構，特別是對于光柵超表面，調控自由度受空間結構限制，相位調控范疇窄。

發明內容

本申請的目的在于：解決梯度相位超表面相位調控能力差、調控自由度受空間結構限制的問題。

本申請第一方面的技術方案是：提供了波束可重構折紙空間序構梯度相位超表面，該超表面由多個周期排列的超單元構成，超單元由至少兩個基本單元沿預設方向排列構成，基本單元由兩塊介質板和一塊金屬地板圍成，基本單元還包括：金屬單方環諧振結構；金屬單方環諧振結構被刻蝕在介質板的中心位置處，金屬單方環諧振結構的邊長由基本單元的反射相位確定，其中，兩塊介質板的結構相同，介質板的折疊角由電磁波的反射偏折角確定，折疊角為介質板與金屬底板之間的夾角。

上述任一項技術方案中，進一步地，金屬單方環諧振結構的邊長由基本單元的反射相位確定，具體包括：根據基本單元的結構參數，在設定折疊角β為45°時，采用掃描的方式，分別在TE和TM兩種極化激發下，以預設步長在長度給定范圍內進行邊長掃描，確定基本單元的相位響應隨邊長變化、頻率變化的第一數據庫；根據基本單元的工作頻率和相位梯度，在第一數據庫中確定金屬單方環諧振結構的邊長和基本單元的個數N，其中，相位梯度為基本單元間的反射相位的差值，相位梯度應滿足360°/N。

上述任一項技術方案中，進一步地，介質板的折疊角由電磁波的反射偏折角確定，具體包括：根據基本單元的結構參數以及金屬單方環諧振結構的邊長，采用掃描的方式，分別在TE和TM兩種極化激發下以預設角度步長，在角度給定范圍內進行角度掃描，確定反射相位變化、工作頻率變化影響基本單元折疊角的第二數據庫；根據相位梯度和基本單元的工作頻率，確定介質板的折疊角。

上述任一項技術方案中，進一步地，兩塊介質板沿y軸對稱設置，兩個基本單元沿預設方向x軸方向排列組成超單元，將m₁個超單元沿x方向周期排列，再沿y方向重復排列n₁列以組成超表面時，介質板的折疊角由電磁波的反射偏折角確定，其中，介質板的折疊角與反射偏折角之間的對應關系為：