一种解耦设计的四功能超表面结构

本发明涉及人工电磁材料，具体涉及一种解耦设计的四功能超表面结构。

背景技术：

1、电磁超表面，作为一种二维超材料，由亚波长散射体单元在二维平面上拓展排布构成，通过亚波长散射体单元的特定排列实现了一系列具有奇异电磁特性的人工复合结构，从而使电磁超表面在电磁控制方面具有较高的自由度。

2、面对信息通信系统对数据存储容量和信息处理速度越来越高的要求，电磁集成发挥着越来越重要的作用，这导致了设备多场景应用的趋势。其中，由周期性或准周期性微结构组成的超表面，可以通过有效的均匀表面材料参数来表征，这些参数可以被设计用于控制电磁波。而这些参数又可以通过超表面细节(包括结构和排列)来设计，从而极大地提升了超表面对电磁波的强大控制能力，例如，超表面细节(包括结构和排列)的可定制性提高了振幅、相位、偏振、波前等电磁特性的调制自由度。由此，超表面的操纵波能力已被广泛应用于完美吸收、异常偏转、偏振转换和波前控制等领域，与传统的超表面相比，在应用上有进一步的优势。

3、超表面的相位调制，与传统的电磁波在介质中传播产生的相位调制不同，超表面主要依靠共振在界面上突然改变相位，可以最大限度地减小体积和高成本。具体来说，超表面具有多种相位调制机制，例如超表面的相位调制可以通过改变介质尺寸、几何位置、介质厚度和相对位置来调制相位响应，而不同的相位调制理论为功能集成奠定了基础。多功能集成可通过角动量、极化、波长、角度的复用方式进行定制。然而，功能集成度的提高意味着超表面设计复杂度的增加，这无疑造成了超表面设计的难度。此外，在多功能表面设计过程中还存在参数相互影响的问题，例如，将两个不同结构的功能单元叠加在一起，往往会存在相互干扰的情况。

技术实现思路

1、为解决现有技术在多功能超表面设计中存在的参数相互影响、设计复杂度高等问题，本发明的目的在于提供一种解耦设计的四功能超表面结构，通过解耦设计，分别设计独立参数来对电磁响应进行调控可以有效的减少设计的复杂度，解决了现有技术在多功能超表面设计中存在的参数相互影响、设计复杂度高等问题，并通过设计单元结构的等效参数进一步对超表面的功能进行调控，这在超表面的功能设计中具有一定的研究价值。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

3、一种解耦设计的四功能超表面结构，包括由具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距排列构成的m×m阵列结构，所述超表面单元是由两层功能控制单元和两层介质基板交替层叠构成；两层所述功能控制单元包括：

4、第一功能控制单元，由伞形结构排列构成的n1×n1阵列结构，用于对高频正交圆极化入射下的反射相位进行调控；

5、第二功能控制单元，由十字结构排列构成的n2×n2阵列结构，用于对低频正交线极化入射下的反射相位进行调控。

6、进一步，相邻的两个所述伞形结构之间的间隙均相等；相邻的两个所述十字结构之间的间隙均相等。

7、进一步，n1是≥2的偶数；n2是≥1的整数，且n1≠n2。

8、进一步，所述伞形结构包括：

9、第一弧臂，通过改变所述第一弧臂的弧度对左旋圆极化波的反射相位进行调控，以形成聚焦；

10、第二弧臂，通过改变所述第二弧臂的弧度对右旋圆极化波的反射相位进行调控，以形成全息图；

11、中轴，其一端分别与所述第一弧臂、所述第二弧臂连接。

12、进一步，所述十字结构包括：

13、x轴，通过改变所述x轴在x方向上的长度对x极化线极化波的反射相位进行调控，以形成散射；

14、y轴，通过改变所述y轴在y方向上的长度对y极化线极化波的反射相位进行调控，以形成异常反射；

15、所述x轴与所述y轴相互垂直连接。

16、进一步，所述伞形结构与所述十字结构的材质为金属。

17、进一步，所述介质基板的复介电常数为2.65(1+0.001j)。

18、进一步，所述介质基板的厚度为1.5～3mm。

19、进一步，所述平面为金属背板。

20、本发明的有益效果：

21、1、本发明通过伞形结构实现对高频正交圆极化波的独立调控，通过十字结构实现对低频正交线极化的独立控制。解决多功能超表面的设计问题，通过四个独立的参数分别对x线极化、y线极化、左旋圆极化、右旋圆极化入射下的反射相位进行独立调控，并分别在四种极化下设计了散射、偏折、聚焦和全息四个功能，并集成在了同一个超表面孔径中。通过设计相位和结构之间的关系构建了多功能超表面快速设计的方法，该整体结构具有一定的稳定性，且架构简单，便于批量加工和应用。

22、2、本发明旨在通过设计超表面的结构参数的相互独立，用以实现对超表面的设计简化。通过解耦合的设计将四个反射相位对应到四个独立的结构参数中，分别对四个不同极化下的反射相位进行设计，从而实现基于解耦设计的四功能超表面结构的设计，整个样件可以使用pcb工艺快速加工，设计结构简单，具有较强的实用性。

技术特征：

1.一种解耦设计的四功能超表面结构，其特征在于，包括由具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距排列构成的m×m阵列结构，所述超表面单元是由两层功能控制单元和两层介质基板交替层叠构成；两层所述功能控制单元包括：

2.根据权利要求1所述的解耦设计的四功能超表面结构，其特征在于，相邻的两个所述伞形结构之间的间隙均相等；相邻的两个所述十字结构之间的间隙均相等。

3.根据权利要求1所述的解耦设计的四功能超表面结构，其特征在于，n1是≥2的偶数；n2是≥1的整数，且n1≠n2。

4.根据权利要求1所述的解耦设计的四功能超表面结构，其特征在于，所述伞形结构包括：

5.根据权利要求1所述的解耦设计的四功能超表面结构，其特征在于，所述十字结构包括：

6.根据权利要求1所述的解耦设计的四功能超表面结构，其特征在于，所述伞形结构与所述十字结构的材质为金属。

7.根据权利要求1所述的解耦设计的四功能超表面结构，其特征在于，所述介质基板的复介电常数为2.65(1+0.001j)。

8.根据权利要求1所述的解耦设计的四功能超表面结构，其特征在于，所述介质基板的厚度为1.5～3mm。

9.根据权利要求1所述的解耦设计的四功能超表面结构，其特征在于，所述平面为金属背板。

技术总结
本发明涉及人工电磁材料技术领域，具体涉及一种解耦设计的四功能超表面结构。包括由具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距排列构成的M×M阵列结构，超表面单元是由两层功能控制单元和两层介质基板交替层叠构成；两层功能控制单元包括：第一功能控制单元和第二功能控制单元；第一功能控制单元由伞形结构排列构成的n<subgt;1</subgt;×n<subgt;1</subgt;阵列结构，用于对高频正交圆极化入射下的反射相位进行调控；第二功能控制单元由十字结构排列构成的n<subgt;2</subgt;×n<subgt;2</subgt;阵列结构，用于对低频正交线极化入射下的反射相位进行调控。

技术研发人员：王甲富,朱瑞超,韩亚娟,楚遵天,随赛,贾宇翔,丁畅,屈绍波
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13