[發明專利]一種用于透射和反射模式下調控電磁波的頻率復用超表面

在審

• 申請號: 202211078967.2
• 申請日: 2022-09-05
• 公開（公告）號: CN115377698A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 郝宏剛;凌沁璇;冉佳;王敏;尹波;羅偉
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;H01Q15/24;H01Q15/02;H01Q15/14
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 方鐘苑

本發明涉及一種用于透射和反射模式下調控電磁波的頻率復用超表面，屬于電磁超表面技術領域。頻率復用超表面由頻率復用單元排列構成，頻率復用單元為多層結構，包括五層金屬層和四層介質層，相鄰的金屬層通過介質層連接。第Ⅰ金屬層包括一變形十字型結構和兩矩形條結構，第Ⅱ金屬層包括一方型框和一正方形貼片，第Ⅲ和第Ⅴ金屬層均有一雙箭頭結構，第Ⅳ金屬層有一長方形結構。本發明能在不同頻帶實現獨立的波束控制，實現對入射電磁波的變極化和極化隔離，解決了頻帶間結構的耦合，以及不同層或同層金屬結構間的耦合，在通信天線、集成系統等領域具有潛在應用價值。

技術領域

本發明屬于電磁超表面技術領域，涉及一種用于在透射和反射模式下全空間操縱圓極化波和線極化波的頻率復用超表面。

背景技術

傳統超表面主要通過在單元間引入相位突變來控制透射波和反射波，按相位突變的機理可以分為傳輸相位超表面和幾何相位超表面兩類。傳輸相位超表面通過改變單元尺寸來實現相位突變。幾何相位超表面又稱為Pancharatnam-Berry相位(PB相位)超表面，依賴旋轉單元實現相位的靈活調控，幾何相位超表面更容易制備。然而大部分的傳統超表面的工作模式較為局限，如工作頻帶單一、功能單一，不能滿足現代電子系統的功能和不利于高度集成。多功能超表面逐漸走進人們的視野，例如雙頻段、雙極化。

例如，M.B.Xin等人在2-bit的單層超表面上實現了雙頻帶的高效OAM反射波生成，單元結構在線極化入射波下具有在兩個頻率獨立的相位調控的能力，同時超表面所生成的OAM反射波束傳播模式不同。B.W.Han等人設計了一款多層單元結構能在同一頻帶上表現出雙圓極化和線極化波的不對稱傳輸，可以在整個空間實現對電磁波的調控。G.Y.Shang等人使用了三層金屬層結構的單元，超表面在全空間上實現獨立的y極化波反射和x極化波透射的全息成像功能。同時，可以通過引入可重構設備來實現超表面改變極化狀態和工作頻帶，然而，這需要復雜的單元結構和電子控制系統。雖然現有超表面可以實現多功能、多頻帶，但仍存在集成度較低、設計復雜、成本高等問題。然而通過設計復合頻率復用超表面，可以在單個結構的基礎上同時實現多頻帶、多功能、全空間波束調控，達到器件小型化、低損耗的目的，極大地提高電磁設備的信息容量，利于系統的高度集成。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種用于透射和反射模式下調控電磁波的頻率復用超表面，實現超表面在兩個頻段獨立實現透射和反射，降低超表面各層間透射和反射的耦合。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種用于透射和反射模式下調控電磁波的頻率復用超表面，該頻率復用超表面由頻率復用單元排列而成，所述頻率復用單元包括第Ⅰ～第Ⅴ金屬層，以及四層介質層，相鄰的金屬層通過介質層連接。

優選地，第Ⅰ金屬層為一變形“十”字形結構，包括一個主十字形結構和兩個矩形條結構；其中十字形結構的雙臂長度不等，兩個矩形條結構大小相等，分別位于十字型結構橫臂兩端，且與橫臂垂直；第Ⅰ金屬層用于實現對u極化線極化波的交叉極化轉化，將反射波轉化為v極化線極化波。

優選地，第Ⅱ金屬層包括一個方形框貼片和一個正方形貼片；方形框貼片與相鄰介質層的外邊緣重合，正方形貼片位于第Ⅱ金屬層的幾何中心；第Ⅱ金屬層用于提供頻率復用超表面的反射窗口和透射窗口。

優選地，第Ⅲ和第Ⅴ金屬層均為一個相同尺寸的雙箭頭結構，兩金屬層的雙箭頭結構的擺放方向相互平行；第Ⅲ和第Ⅴ金屬層用于將線極化波轉化為圓極化波。

優選地，第Ⅳ金屬層為一長方形結構，該長方形結構擺放方向與雙箭頭結構擺放方向相互垂直；第Ⅳ金屬層用于增加透射波中交叉極化波的透射。

優選地，介質層介電常數為3.5，損耗角正切為0.001，厚度為2mm。

優選地，金屬層結構和介質層的幾何中心均為同軸設置。