一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面

本发明是一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，属于天线和新型人工电磁超材料领域。

背景技术：

1、电磁超材料(metamaterial)是在三维(three-dimensional)空间内，由许多亚波长尺寸的人工单元，周期或非周期排列构成，人工单元结构参数的改变或单元排列方式的重新组合可以任意控制其等效的介电常数和磁导率，因此，它具有独特的电磁特性，能够产生许多奇特的物理现象，促进了许多电磁器件的创造，在移动通信、雷达探测、航空航天等领域有巨大的发展空间。

2、电磁超材料从三维(3d)发展到二维(2d)平面形式——超表面(metasurface)，它是特殊电磁特性的亚波长人工单元结构，在二维空间上周期或非周期延拓而形成的平面阵列。它通过在超表面媒质交界面上引入不同的突变响应，来实现对电磁波特性(幅度、相位、极化)的任意操控，从而为电磁波领域的各种奇异现象提供了前所未有的可能性。

3、在无线和光子通信中，通过薄平面器件实现电磁波相位和振幅的独立、任意控制是非常重要的。在两个任意正交偏振态下，集成在一块平板上的独立波前控制是现代科学技术中的重要研究方向，因为它可以满足平面电磁波和光学器件日益增长的高速和大容量需求。然而，目前报道的大多数超表面仅实现了对线极化电磁波相位的独立控制，而对圆极化波的研究较少。

4、对于圆极化波的控制，一般采用对左旋圆极化波(lcp)和右旋圆极化波(rcp)具有不同光学响应的手性超表面来实现，但是手性结构会导致lcp和rcp反射相位自旋锁定，且存在窄带特性。

5、针对上述问题，本发明提出一种基于传播相位和几何相位的原理，实现能在微波宽频带内，任意控制圆极化波波前的自旋解耦编码超表面。对于本发明提出的超表面，首先，通过集成传播相位和几何相位来设计所需的i型单元结构，其次，利用单元间的相对相位差来构建针对lcp和rcp的2位单元编码元素库，接着，基于相位梯度理论，通过在2位单元编码元素库中选定所需相位差的单元，设计独特的编码图案，构建对lcp和rcp具有不同的响应的超表面。本发明对于实现圆极化波波前的独立、任意控制和拓展工作带宽这两方面都具有非常重要的研究价值和意义。

技术实现思路

1、技术问题：本发明提出一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，可以在不反转自旋状态的前提下，实现对正交圆极化波的自旋解耦功能。在微波宽频带(12-18ghz)内，当正交圆极化波入射时，超表面可以对入射电磁波进行波前控制，即有效地反射指定的圆极化波(cp)，并吸收其正交极化波。本发明具有超薄单层介质结构，无需打孔设计，易于加工，性能较好，可有效应用于设计微波段波束偏转、自旋解耦等器件，也可用于隐身、全息成像等方面。

2、技术方案：本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，采用的具体技术方案如下：

3、提出的宽带自旋解耦编码超表面由16×16个基本单元周期排列构成，每个基本单元分为三层，包括顶层i型金属贴片、中层介质基片、底层全铜接地板，其中顶层i型金属贴片的圆弧角β控制弧长，方位角α控制贴片旋转，从而实现对反射波的相位调控。

4、所述的基本单元为正方形结构，边长为p。

5、所述的顶层i型金属贴片是由一对随着中心角β改变而演化的弧长，和一个长度为l，宽度为w1的矩形半波片构成，其中弧长的内径为r，结构的线宽为w，覆盖铜的厚度为t，电导率为δ＝5.86×107s/m。该结构是一个中心对称的几何图形，可以通过方位角α来控制它围绕对称中心进行旋转。

6、所述的中间层介质基片为正方形结构，由边长为p，厚度为h的f4b(聚四氟乙烯)构成，其相对介电常数为ε＝2.65，损耗角正切为tanδ＝0.001；

7、所述的底层全铜接地平面为正方形结构，边长为p，厚度为t，电导率为δ＝5.86×107s/m，实现几乎完全反射。

8、进一步地，所述的金属层的相位调控设计标准为：

9、

10、式中：和分别为同极化波和交叉极化波的相位，包括∠rr和∠ll，包括∠rl和∠lr，为x和y极化入射波的相位和，α为方位角，为传播相位，取决于单元的结构参数，为几何相位，取决于单元的旋转角度。

11、进一步地，所述的顶层i型金属贴片，通过改变传播相位β和几何相位α来构建针对lcp和rcp的2位单元编码元素库，其中单元以归一化的数字代码来代表，2bit中“00”(0°)、“01”(90°)、“10”(180°)和“11”(270°)，以“cl/cr”来命名，cl和cr分别代表lcp和rcp的数字状态。

12、进一步地，所述的顶层i型金属贴片，依据相位梯度编码，在2位单元编码元素库中选取所需单元，设计n×n单元周期排列的独特的编码图案，实现对lcp和rcp具有不同相位响应的超表面。

13、进一步地，所述的超表面能够在不反转自旋状态的前提下，实现对lcp的异常反射和rcp的随机散射。

14、有益效果：

15、1)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其基本单元在保证pb相位的前提下，反射振幅接近于1，具有很好的反射效率。

16、2)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，仅需要控制单元结构的传播相位和几何相位，就可以实现对圆极化波波前的独立、任意控制，方案简单、准确度高、稳定性好。

17、3)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，具有宽带效应，能实现在微波宽频带的圆极化波自旋解耦功能。

18、4)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，虽然由非手性单元构成，但也具有手性特性，具有完全相反的电磁响应。其镜像超表面的结果高度相似，说明由非手性自旋解耦元件构成的超表面具有破坏n倍(n>2)旋转对称性和镜像对称性的特性。

19、5)本发明提出的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，具有超薄单层介质结构，无需在介质板内打孔设计，易于加工，可有效应用于设计微波段自旋解耦、波束偏转等器件，也可应用于隐身、全息成像等方面。

技术特征：

1.一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其特征在于：该宽带自旋解耦编码超表面由16×16个基本单元周期排列构成，每个基本单元分为三层，包括顶层i型金属贴片、中层介质基片、底层全铜接地板，其中顶层i型金属贴片的圆弧角β控制弧长，方位角α控制贴片旋转，从而实现对反射波的相位调控。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其特征在于：所述的基本单元为正方形结构，边长为p。

3.根据权利要求1所述的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其特征在于：所述的顶层i型金属贴片是由一对随着中心角β改变而演化的弧长，和一个长度为l，宽度为w1的矩形半波片构成，其中弧长的内径为r，结构的线宽为w，覆盖铜的厚度为t，电导率为δ＝5.86×107s/m。该结构是一个中心对称的几何图形，可以通过方位角α来控制它围绕对称中心进行旋转。

4.根据权利要求1所述的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其特征在于：所述的中间层介质基片为正方形结构，由边长为p，厚度为h的f4b(聚四氟乙烯)构成，其相对介电常数为ε＝2.65，损耗角正切为tanδ＝0.001。

5.根据权利要求1所述的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其特征在于：所述的底层全铜接地平面为正方形结构，边长为p，厚度为t，电导率为δ＝5.86×107s/m，实现几乎完全反射。

6.根据权利要求1所述的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其特征在于：所述的金属层的相位调控设计标准为：

7.根据权利要求1所述的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其特征在于：所述的顶层i型金属贴片，通过改变传播相位β和几何相位α来构建针对左旋圆极化波(lcp)和右旋圆极化波(rcp)的2位单元编码元素库，其中单元以归一化的数字代码来代表，2bit中“00”(0°)、“01”(90°)、“10”(180°)和“11”(270°)，以“cl/cr”来命名，cl和cr分别代表lcp和rcp的数字状态。

8.根据权利要求1所述的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其特征在于：所述的顶层i型金属贴片，依据相位梯度编码，在2位单元编码元素库中选取所需单元，设计n×n单元周期排列的独特的编码图案，实现对lcp和rcp具有不同相位响应的超表面。

9.根据权利要求8所述的一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面，其特征在于：所述的超表面能够在不反转自旋状态的前提下，实现对lcp的异常反射和rcp的随机散射。

技术总结
本发明公开了一种圆极化波波前控制的宽带自旋解耦编码超表面。该超表面由16×16个基本单元周期排列构成，基于传播相位和几何相位原理设计的超表面单元主要分为三层，顶层为I型金属贴片，中间层为由F4B(聚四氟乙烯)构成的介质基板，底层为全铜接地平面。依据相位梯度编码理论，利用2位单元编码元素库中具有特定相位差的单元，设计独特的编码图案，构建对左旋圆极化波(LCP)和右旋圆极化波(RCP)具有不同的响应的超表面，从而实现在微波宽频带内，任意控制圆极化波波前的自旋解耦编码超表面。本发明具有超薄单层介质结构，无需打孔设计，易于加工，准确度较高，稳定性较好，可以有效应用于设计微波段的自旋解耦、波束偏转等器件，也可应用于隐身和全息成像等方面。

技术研发人员：徐冰洋,夏景,孔娃
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14