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一种极化复用的单层惠更斯超表面单元发明专利

更新时间:2024-07-01
一种极化复用的单层惠更斯超表面单元发明专利 专利申请类型:发明专利;
源自:重庆高价值专利检索信息库;

专利名称:一种极化复用的单层惠更斯超表面单元

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202111473525.3

专利申请(专利权)人:重庆邮电大学
权利人地址:重庆市南岸区黄桷垭崇文路2号

专利发明(设计)人:郝宏刚,冉雪红,阮巍,郑森,冉佳,黄文,罗伟

专利摘要:本发明涉及一种极化复用的单层惠更斯超表面单元,属于人工电磁领域。该单元由第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片和介质基板组成。第一金属片和第二金属片为矩形长条结构。第三金属片和第四金属片为两个矩形长条结构;所有金属片均为电偶极子,利用上下层反向流动的表面电流诱导磁流,没有单独构建磁偶极子,在物理结构上消除了磁性元件的需求,使单元结构更加紧凑、更易集成。本发明工作的中心频率为35GHz,单元透射幅度、相位和极化方式可以通过改变垂直方向和水平方向的矩形金属片的长度独立调控。单元具有高的透射性能和340°的透射相位调控,在不同极化波束的照射下可以呈现不同图像,具有极化复用的特性。

主权利要求:
1.一种极化复用的单层惠更斯超表面单元,其特征在于:该超表面单元从上至下包括:
第一金属片(1)、第二金属片(2)、介质基板(5)、第三金属片(3)和第四金属片(4);惠更斯超表面单元是平面结构,且沿xoy水平放置;
第一金属片(1)和第二金属片(2)均为矩形长条且相互正交,沿着y轴和x轴放置,长度分别为L1和L2,位于整个单元顶层;
第三金属片(3)和第四金属片(4)都具有两个尺寸相同的矩形长条,长度是第一金属片(1)和第二金属片(2)的1/2,分别沿着y轴和x轴放置,位于整个单元底层;
第一金属片(1)、第二金属片(2)、第三金属片(3)和第四金属片(4)都为具有相同宽度的矩形长条结构。
2.根据权利要求1所述的一种极化复用的单层惠更斯超表面单元,其特征在于:所述金属片均为电偶极子,并且上下两层金属片存在交叠区,产生表面磁流,并与金属片本身的表面电流相互作用产生电磁共振,形成高透射率。
3.根据权利要求1所述的一种极化复用的单层惠更斯超表面单元,其特征在于:所述介质基板材料为F4B,介电常数是2.2,损耗角的正切值是0.001,厚度为1.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种极化复用的单层惠更斯超表面单元,其特征在于:所述极化复用的单层惠更斯超表面单元通过改变金属片的长度,分别在y极化和x方向实现透射波幅度和相位的改变,在工作中心35GHz,透射幅度大于0.9,实现0°~340°透射相位连续变化。
5.根据权利要求1所述的一种极化复用的单层惠更斯超表面单元,其特征在于:所述极化复用的单层惠更斯超表面单元具有双极化特性,同时改变x方向和y方向相应的物理参数实现双极化特性,在x极化波和y极化波的入射下,实现相同的功能。
6.根据权利要求1所述的一种极化复用的单层惠更斯超表面单元,其特征在于:所述极化复用的单层惠更斯超表面单元具有极化复用特性,通过改变极化相应的物理参数实现独立调节,具有x极化和y极化独立选择和转换能力,在x方向和y方向实现不同的功能,并且x极化和y极化相互不影响;通过对单元x方向和y方向参数的独立变化,提高单元对电磁波的调控能力,实现电磁调控。 说明书 : 一种极化复用的单层惠更斯超表面单元技术领域[0001] 本发明属于人工电磁领域,涉及一种极化复用的单层惠更斯超表面单元。背景技术[0002] 极化复用全息图可以基于提取的入射波的极化方式构建多个全息成像模式,实现对电磁波的极化控制,具有重要应用价值。传统的极化控制器件主要有浮雕蚀刻固有各向异性的天然晶体和人工调节理想材料层的表面拓扑两种方式,但全息成像的操作范围、极化方向和投影角度不可避免地受到限制。此外,上述两种极化复用全息图都是基于电磁波沿着大衬底传播实现相位累积,在微波波段限制了器件的小型化。超表面通过精心设计亚波长尺寸的单元结构可以任意调控电磁波的幅度、相位和极化方式,具有低剖面、重量轻、易于制作等优点,为极化复用全息图提供了一种全新的途径。然而,传统的超表面单元仅控制极化电流,其成像效率受到相位覆盖不完全和极化转换损耗的限制,为了获得较高的透射率和全相位范围,通常采用多个金属层和介质层堆叠的方式来设计透射超表面单元。并且目前大多数研究的超表面单元极化模式单一,为了实现多极化模式的独立调控,通常需要引入额外的复杂结构。这些方法都使得单元结构变得复杂且不易加工,单元结构之间的极化模式调控会相互影响。发明内容[0003] 有鉴于此,本发明的目的在于提供一种极化复用的单层惠更斯超表面单元。[0004] 为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:[0005] 一种极化复用的单层惠更斯超表面单元,该超表面单元从上至下包括:第一金属片1、第二金属片2、第三金属片3、第四金属片4和介质基板5;惠更斯超表面单元是平面结构,且沿xoy水平放置。[0006] 可选的,所述第一金属片1和第二金属片2分别沿着y轴和x轴放置,位于整个单元顶层;第三金属片3和第四金属片4都具有两个尺寸相同的矩形长条,分别沿着y轴和x轴放置,位于整个单元底层;金属片都为具有相同宽度的矩形长条结构。[0007] 可选的,所述金属片均为电偶极子,并且上下两层金属片存在交叠区,产生表面磁流,并与金属片本身的表面电流相互作用产生电磁共振,形成高透射率。[0008] 可选的,所述介质基板材料为F4B,介电常数是2.2,损耗角的正切值是0.001,厚度为1.5mm。[0009] 可选的,所述极化复用的单层惠更斯超表面单元通过改变金属片的长度,分别在y极化和x方向实现透射波幅度和相位的改变,在工作中心35GHz,透射幅度大于0.9,实现0°~340°透射相位连续变化。[0010] 可选的,所述极化复用的单层惠更斯超表面单元具有双极化特性,同时改变x方向和y方向相应的物理参数实现双极化特性,在x极化波和y极化波的入射下,实现相同的功能。[0011] 可选的,所述极化复用的单层惠更斯超表面单元具有极化复用特性,通过改变极化相应的物理参数实现独立调节,具有x极化和y极化独立选择和转换能力,在x方向和y方向实现不同的功能,并且x极化和y极化相互不影响;通过对单元x方向和y方向参数的独立变化,提高单元对电磁波的调控能力,实现电磁调控。[0012] 本发明的有益效果在于:[0013] (1)本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元,相对于传统相移单元设计更加灵活,对电磁波的操控精度更高。[0014] (2)本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元具有双极化特性和极化复用特性;可同时改变x方向和y方向相应的物理参数,在x极化波和y极化波的入射下,实现相同的功能。也可独立改变x方向和y方向相应的物理参数,具有x极化和y极化的独立选择和转换行为,可以完全控制极化透射电磁波的幅度、相位和极化,提高单元对电磁波的调控能力,实现更高级的电磁调控。[0015] (3)本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元的物理结构上只有电偶极子,没有单独构建磁偶极子,通过反向流动的表面电流诱导磁流,在物理结构上消除了磁性元件的需求,使单元结构更加紧凑。并且所述的超表面单元没有通孔,可以用传统的PCB加工技术制作。[0016] (4)本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元选用单层厚度为1.5mm的F4B材料作为介质基板,在高频板材中成本较低,在保持低损耗、高性能的同时还具有小型化、集成化的特点。[0017] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明[0018] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:[0019] 图1为极化复用的单层惠更斯超表面单元的单元三维结构示意图;[0020] 图2为极化复用的单层惠更斯超表面单元的上层金属结构尺寸示意图;[0021] 图3为极化复用的单层惠更斯超表面单元的下层金属结构尺寸示意图;[0022] 图4为极化复用的单层惠更斯超表面单元的传输幅度和传输相位图;[0023] 图5为极化复用的单层惠更斯超表面单元组成的聚焦超表面需要补偿的相位分布图;[0024] 图6为极化复用的单层惠更斯超表面单元的成像超表面需要补偿的相位分布图;[0025] 图7为极化复用的单层惠更斯超表面单元组成的聚焦成像超表面的正面结构图;[0026] 图8为极化复用的单层惠更斯超表面单元组成的聚焦成像超表面的背面结构图。[0027] 图9为x极化波入射下聚焦成像超表面的电场分布图;[0028] 图10为y极化波入射下聚焦成像超表面的电场分布图。[0029] 附图标记:1‑第一金属片,2‑第二金属片,3‑第三金属片,4‑第四金属片,5‑介质基板。具体实施方式[0030] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0031] 其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本发明的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。[0032] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。[0033] 本发明提供了一种极化复用的单层惠更斯超表面单元,具体实施方案如下:[0034] 参阅图1~图3,极化复用的单层惠更斯超表面单元由第一金属片1、第二金属片2、第三金属片3、第四金属片4和介质基板5;所提出的惠更斯超表面单元是平面结构,且沿xoy水平放置;[0035] 本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元的第一金属片1和第二金属片2均为矩形长条且相互正交,沿着y轴和x轴放置,矩形金属片的长度分别为L1和L2,位于整个单元顶层;第三金属片3和第四金属片4都具有两个尺寸相同的矩形长条,矩形金属条的长度是第一金属片1和第二金属片2的1/2,分别沿着y轴和x轴放置,位于整个单元底层;所述金属片都为具有相同宽度的矩形长条结构。所述金属片均为电偶极子,并且上下两层金属片存在交叠区。当极化波入射时,上下层金属片的表面电流以相反的方向流动,在超表面单元侧面产生循环的电流环,即磁偶极子,便诱导产生表面磁流,并与金属片本身的表面电流相互作用产生电磁共振,从而形成高透射率和高相位覆盖。所述极化复用的单层惠更斯超表面单元,没有在物理结构上构建磁偶极子,使单元结构更加紧凑,更易加工和集成;所述极化复用的单层惠更斯超表面单元的介质基板5材料为F4B,介电常数是2.2,损耗角的正切值是0.001,厚度为1.5mm,在高频板材中成本较低,损耗较小;[0036] 本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元的工作中心频率为35GHz,优化单元的周期P为亚波长,即选为4.8mm;所述的所有金属片具有相同的宽度为0.2mm;所述介质基板的材料为F4B,介电常数为2.2,正切损耗为0.001,优化基板的厚度h=1.5mm;[0037] 本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元具有双极化特性和极化复用特性,可以同时或独立在y方向和x方向实现透射波幅度和相位的改变;在工作中心频率35GHz,优选上下层金属片的长度L1和L2独立或同时调控,调控相移范围为1mm~4.8mm,实现0°~340°透射相位连续变化,所调控的范围内透射幅度都大于0.9;双极化的特性调控,是同时调控x方向和y方向的矩形金属条长度参数,使单元在不同的极化波入射下都实现相同的功能;极化复用的特性调控,是独立调控与极化相同方向的矩形金属条长度参数,使单元在不同的极化波入射下实现不同的功能,例如在x极化波的照射下,实现三维聚焦功能,在y极化波的照射下,实现成像功能。提高单元对电磁波的调控能力,实现更高级的电磁调控。[0038] 图4的矩形连线是极化复用的单层惠更斯超表面单元的透射幅度随矩形金属条长度Li变化曲线图,其中i为1或2;其仿真频率范围为34~36GHz。仿真结果显示,当Li从1mm~4.8mm变化时,单元的透射幅度调控范围可以达到0.9以上,而且单元的传输幅度具有稳定性。三角形连线是极化复用的单层惠更斯超表面单元的透射相位随矩形金属条长度Li变化曲线图,其中i为1或2,其仿真频率范围为34~36GHz。仿真结果显示,通过改变矩形金属条长度Li的取值,单元的透射相位变化范围可以达到0°~340°,而且单元的传输相位具有良好的稳定性。[0039] 图5是本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元组成的聚焦超表面需要补偿的相位分布图,其中工作的中心频率为35GHz,焦点的位置分别为(0,0,40)mm、(40,0,80)mm、(‑40,0,80)mm、(0,‑40,80)mm和(0,40,80)mm。[0040] 图6是为本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元组成的成像超表面需要补偿的相位分布图,其中工作的中心频率为35GHz,成像的位置为120mm,成像平面大小与超表面一致。[0041] 图7和图8是本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元组成的聚焦成像超表面结构图;其工作频率为35GHz,超表面由27×27个单元组成,超表面为正方形结构,边长为129.6mm;从结构图中可以看出,x方向和y方向的矩形金属片长度不一致,可以实现独立调控极化波的功能。[0042] 图9是x极化波入射下,本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元组成聚焦成像超表面的电场分布图;在焦距为40mm的平面实现单个焦点的聚焦,在焦距为80mm的平面处实现四个焦点的聚焦。[0043] 图10是y极化波入射下,本发明的极化复用的单层惠更斯超表面单元组成聚焦成像超表面的电场分布图;在距离超表面120mm的平面成像字母I。[0044] 最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

专利地区:重庆

专利申请日期:2021-12-02

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN114284741B

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