一种透射式超表面单元结构及电磁波幅相调控器件的制作方法

1.本实用新型涉及超表面技术领域，尤其涉及一种透射式超表面单元结构及电磁波幅相调控器件。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，以电磁波为基础的科学研究和科技发明已经渗入到人类日常生活的方方面面，尤其在通讯、成像、导航、探测等领域有广泛的应用。幅度、相位和极化作为电磁波的基本属性，决定着电磁波传播的性质，如何能高效地调控电磁波的幅度和相位一直是电磁波研究领域的热点问题。近年来，通过设计单元结构构造超表面实现对电磁波的灵活调控的工作越来越多，而设计超表面的关键在于单元结构对电磁波相位、幅度、极化及其组合的散射特性的调控。近年来有许多设计幅相调控单元的工作，这种幅相调控单元构造的超表面与纯相位超表面相比在各方面表现更优秀，比如可以提高全息成像分辨率，实现定向辐射、雷达散射截面缩减、多波束设计等。通过改变单元结构的尺寸、方位等多个自由度的调控，可以实现对电磁波复振幅的调制。然而，寻找一种简单、通用的单元结构来实现全范围复振幅调制仍然是非常有必要的。
3.目前用于调控电磁波幅度和相位的超表面单元结构有多类。一是惠更斯超表面单元结构，通过改变单元结构尺寸调控电磁响应实现复振幅调制；二是具有二元相位调制的线极化幅相调控超表面；三是基于几何相pancharatnam
‑
berry(pb)原理的圆交叉极化相位调控单元结构的纯相位超表面；四是x型结构双臂夹角和旋转调控全范围的幅相单元结构。
4.现有技术至少存在以下缺陷，一是，惠更斯超表面单元结构设计复杂，缺少通用的调控规则；二是，具有二元相位调制的线极化幅相调控超表面单元结构只能得到二元相位，要实现全范围的幅相独立连续调控，还需要对单元结构的尺寸进行调整；三是，基于几何相
5.pancharatnam
‑
berry(pb)原理的圆交叉极化相位调控单元结构只能通过改变单元结构的尺寸参数才能对电磁波幅度进行调控，且单元结构尺寸的调控无相应的规律，调控效率低；四是，x形单元结构进行调控时，虽可以支持全范围的幅度和相位的调控，但效率不高并且x形单元结构的耦合效应也缺乏相应的理论支撑。
6.实用新型

技术实现要素：

7.鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种透射式超表面单元结构及电磁波幅相调控器件，用以解决现有超表面单元结构复杂，对电磁波进行幅相调控时需改变结构尺寸参数、调控效率低的问题。
8.本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：
9.一方面，本实用新型提供了一种透射式超表面单元结构，包括级联的两个结构相同的元结构；该元结构包括介质基板以及对称贴合于该介质基板两侧的两个相同的圆形导体贴片；其中，
10.所述介质基板与两个所述圆形导体贴片具有相同的几何中心；所述圆形导体贴片上设置有c型孔式谐振环；每一元结构的两个c型孔式谐振环相对于所述介质基板对称；
11.所述介质基板为正方形结构，其边长与所述圆形导体贴片的直径相匹配。
12.进一步的，所述两个元结构间设置有空气层。
13.进一步的，所述圆形导体贴片的材质为金、银或铜。
14.另一方面，本实用新型提供了一种电磁波幅相调控器件，包括多个透射式超表面单元结构；多个所述透射式超表面单元结构二维阵列排列；所述元结构中c型孔式谐振环的朝向与所述元结构的取向角相对应。
15.进一步的，两个所述元结构中的第一元结构的取向角、第二元结构的取向角的大小与所述所需调控的幅度的对应关系如下：
16.a＝cos(θ2‑
θ1)，
17.其中，θ1表示所述第一元结构的取向角，θ2表示所述第二元结构的取向角，a表示所述所需调控的幅度。
18.进一步的，两个所述元结构中的第一元结构的取向角、第二元结构的取向角的大小与所述所需调控的相位的对应关系如下：
[0019][0020]
其中，当入射波为右旋圆极化电磁波，透射波为左旋圆极化电磁波时，σ＝1；当入射波为左旋圆极化电磁波，透射波为右旋圆极化电磁波时，σ＝
‑
1，表示所需调控的相位。
[0021]
进一步的，所述两个元结构间的空气层厚度的取值范围为[4.75mm,5.25mm]。
[0022]
进一步的，所述圆形导体贴片的厚度的取值范围为[0.0171mm,0.0189mm]、半径取值范围为[3.325mm,3.675mm]，所述c型孔式谐振环的内半径取值范围为[2.85mm,3.15mm]、外半径取值范围为[3.04mm,3.36mm]，所述c型孔式谐振环对应的隔断宽度的取值范围为[0.19mm,0.21mm]。
[0023]
进一步的，所述介质基板边长的取值范围为[8.55mm,9.45mm]，厚度的取值范围为[1.425mm,1.575mm]；
[0024]
进一步的，所述电磁波幅相调控器件为波束生成器件、全息成像器件或光束聚焦器件。
[0025]
与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：
[0026]
1、本实用新型提出的透射式超表面单元结构，通过设置超表面单元结构中两个元结构的取向角即可实现对电磁波幅度和相位的独立、连续调控，且无需改变单元结构的尺寸，调控方式灵活、调控效率高；该超表面单元结构对电磁波幅度的调控范围为[0,1]，对电磁波相位的调控范围为[0
°
,360
°
]。
[0027]
2、本实用新型提出的透射式超表面单元结构是基于波片理论和pb相位理论对电磁波的幅度、相位进行调控的，具有完善的理论支撑，且无需依靠改变结构参数无规律的对电磁波幅度和相位进行调控，因此基于该超表面单元结构能够快速精准的设计出各种电磁波幅相调控器件，例如双焦点聚焦透镜、多波束产生器、贝塞尔波束产生器和全息成像器件等，大大降低了器件设计的复杂度，适用性强，应用场景广泛，且通过改变该超表面单元结构的电尺寸匹配相应的圆形导体贴片和介质的材质，可以使该超表面单元结构工作于微波波段、红外波段、太赫兹波段、光频波段等。
[0028]
3、本实用新型提出的电磁波幅相调控器件的二维阵列中每一超表面单元结构的结构尺寸均相同，只有两个元结构的取向角不同，简化了二维阵列的制造工艺，很大程度上
降低了制造成本。
[0029]
本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的内容中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过文字以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0030]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0031]
图1为本实用新型实施例透射式超表面单元结构的示意图；
[0032]
图2为本实用新型实施例超表面单元结构中元结构的示意图；
[0033]
图3为本实用新型实施例级联的两个四分之一波片旋转的示意图；
[0034]
图4为本实用新型实施例庞加莱球表示的几何相变化的示意图；
[0035]
图5为本实用新型实施例元结构的慢轴与x轴正方向重合时，线极化电磁波正入射获得的电磁波透射系数的幅度和同极化透射电磁波的相位差随入射波频率变化的示意图；
[0036]
图6为本实用新型实施例元结构的慢轴与x轴正方向呈
±
45
°
时，线极化电磁波正入射时，获得的左旋圆极化透射电磁波和右旋圆极化透射电磁波的透射系数的幅度随入射波频率变化的示意图；
[0037]
图7为本实用新型实施例超表面元结构中第一取向角θ1为0
°
，将第二取向角θ2分别设置为0
°
、30
°
、60
°
、90
°
时，对应获得的圆交叉极化透射电磁波幅度随入射波频率变化的示意图；
[0038]
图8为本实用新型实施例第一元结构的取向角θ1为0
°
，不同频率的入射波入射时，获得的圆交叉极化透射电磁波幅度随第一元结构和第二元结构的相对旋转角α变化的示意图；
[0039]
图9为本实用新型实施例第一元结构的取向角θ1为0
°
，不同频率的入射波入射时，获得的圆交叉极化透射电磁波相位随第一元结构和第二元结构的相对旋转角α变化的示意图；
[0040]
图10为本实用新型实施例圆交叉极化透射电磁波的幅度随第一取向角θ1和第一元结构、第二元结构相对旋转角α的变化规律的示意图；
[0041]
图11为本实用新型实施例圆交叉极化透射电磁波的相位随第一取向角θ1和第一元结构、第二元结构相对旋转角α的变化规律的示意图。
[0042]
附图标记：
[0043]
110
‑
介质基板；120
‑
圆形导体贴片；130
‑
c型孔式谐振环。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
[0045]
本实用新型的一个具体实施例，公开了一种透射式超表面单元结构。如图1所示，
该超表面单元结构包括级联的两个结构相同的元结构。具体的，如图2所示，该元结构包括介质基板110以及对称贴合于该介质基板两侧的两个相同的圆形导体贴片120；其中，介质基板与两个圆形导体贴片具有相同的几何中心(即介质基板和两个圆形导体贴片沿结构共轴排布)；圆形导体贴片上设置有c型孔式谐振环130，每一元结构的两个c型孔式谐振环相对于所述介质基板对称。优选的，介质基板110为正方形结构，其边长与圆形导体贴片120的直径相匹配，即圆形导体贴片120的直径与介质基板的边长的比值取值范围为[0.7,0.86]，在该范围内，均能实现对电磁波幅相的全范围、高精度调控。优选的，两个元结构间设置有空气层。圆形导体贴片的材质为入射波频段范围下对应的完美电导体，优选的，圆形导体贴片的材质可以为金、银或铜。
[0046]
本实用新型提出的透射式超表面单元结构能够在不改变单元结构参数的前提下，对电磁波的幅度和相位进行全范围的独立、连续调控，具体说明如下：
[0047]
本实用新型提出的超表面单元结构可等效为两个级联的等效四分之一波片(qwp)。通过调节两个qwp的取向角可以改变庞加莱(poincar
é
)球面上圆偏振转换分量的偏振态演化路径，进而可实现全范围的幅度和相位的独立连续调控，具体如下：
[0048]
考虑到两个四分之一波片之间存在相对旋转的情况，当电磁波沿着z轴方向传播，对于一个慢轴(波片中传播速度慢的光矢量方向为慢轴)位于x方向的四分之一波片，其圆极化基矢下的琼斯矩阵为：
[0049][0050]
当四分之一波片旋转θ角度，可以通过如下旋转操作得到圆极化基失系的新琼斯矩阵：
[0051][0052][0053]
其中，r为旋转矩阵。
[0054]
如图3所示，将两个四分之一波片的取向角定义为其慢轴与x轴的夹角，分别记作θ1、θ2，图中s1、s2分别表示两个四分之一波片的慢轴，级联后的两个四分之一波片组成的单元结构对应的琼斯矩阵为：
[0055]
[0056]
其中，α表示两个四分之一波片的取向角之差，即两个四分之一波片相对旋转角。总琼斯矩阵的副对角项代表圆交叉极化电磁波的透射系数，对应的复振幅可以表示为cosα
·
exp[iσ(α 2θ1)]，从中可以看出，圆交叉极化电磁波透射系数对应的幅度a、相位与两个四分之一波片的取向角分别呈下述关系：
[0057]
a＝cos(θ2‑
θ1)，
[0058][0059]
根据上述两个关系式，可以实现电磁波复振幅的幅度从0到1、相位从0
°
到360
°
的全范围独立连续调控。
[0060]
两个四分之一波片组成的单元结构的上述特性是由两个四分之一波片旋转所带来的极化态路径改变而产生的。示例性的，右旋圆极化入射波通过第一个四分之一波片后，转换为一个取向为θ1 45
°
的线极化波，由于第二个四分之一波片的取向为θ2角度，因此仅偏振方向为θ2 45
°
的线极化波成分会转换到与入射波正交的圆极化态。因此，基于马吕斯定律可以得出转圆极化透射电磁波的幅度与两个四分之一波片的相对旋转角α成余弦关系。相位的调控机理完全来自几何相位原理，可以用庞加莱球形象地表示，电磁波圆极化变换路径如图4所示，相位变化为两条路径所围成的区域的立体角的一半。
[0061]
经上述分析可知，两个四分之一波片级联能够实现对入射电磁波幅度和相位的独立、连续调控。
[0062]
对于本实用新型提出的元结构，示例性的，设置圆形导体贴片的厚度为0.018mm，半径r1为3.5mm，材质为铜，c型孔式谐振环的外半径r2为3.2mm、内半径r3为3mm，c型孔式谐振环对应的隔断宽度g为0.2mm；此外，介质基板的材质为f4b，其介电常数ε为2.65，损耗正切角为0.0017，介质基板的厚度d为1.5mm；元结构的晶格常数p设置为9mm，该晶格常数即介质基板的边长。
[0063]
基于该元结构进行仿真，如图2所示，入射电磁波沿z轴入射，当元结构沿x轴正方向摆放时，如图5所示，线极化电磁波正入射时获得的同极化透射电磁波的透射系数t
y,y
、t
x,x
的幅度均高于0.9，相位差这表明该元结构为其对称轴方向(图3中该对称轴方向为x方向)为慢轴的四分之一波片。当设置该元结构的对称轴(慢轴)与x轴正方向呈45
°
时，线极化电磁波正入射时对应获得右旋圆极化透射电磁波，当呈
‑
45
°
时，线极化电磁波正入射时对应获得左旋圆极化透射电磁波，如图6所示，在11.9
‑
12.6ghz的应用频段内，获得的右旋圆极化透射电磁波的透射系数t
rcp, 45
°‑
lp
的幅度、左旋圆极化透射电磁波的透射系数t
lcp,
‑
45
°‑
lp
的幅度均高于0.9，因此，该元结构具有四分之一波片的性质。
[0064]
现通过以下实施例来更好的说明本实用新型提出的超表面单元结构对电磁波幅相调控的性能：
[0065]
将两个元结构级联，并将两个元结构间的空气层厚度设置为5mm，元结构的相关结构参数采用前述设置的参数，从而获得超表面单元结构，并基于该超表面单元结构进行仿真。
[0066]
如图1所示，第一元结构、第二元结构的慢轴沿x轴正方向逆时针旋转分别获得对应的第一取向角θ1和第二取向角θ2，则α＝(θ2‑
θ1)为第一元结构、第二元结构的取向角之差。
[0067]
具体的，设置第一取向角θ1为0
°
，将第二取向角θ2分别设置为0
°
、30
°
、60
°
、90
°
时，对应获得的圆交叉极化透射电磁波幅度随入射波频率变化曲线如图7所示，从图中可以看出，在[12ghz,13ghz]的频率范围内，第一元结构和第二元结构的取向角之差为0时，对应获得的圆交叉极化透射波的透射系数的幅度最大，这是由于第一元结构和第二元结构之间没有相对旋转，即慢轴是对齐的，整体相当于一个四分之一波片。图8给出了第一取向角θ1为0
°
，不同频率的入射波入射时，获得的圆交叉极化透射电磁波幅度随第一元结构和第二元结构的相对旋转角α变化的示意图，从图中可以看出，在[12.1ghz,12.5ghz]频率范围内以0.1ghz间隔的入射波入射时，对应获得的圆交叉极化透射电磁波幅度的变化规律与幅度理论变化曲线(cosα)一致。图9给出了第一取向角θ1为0
°
，不同频率的入射波入射时，获得的圆交叉极化透射电磁波相位随第一元结构和第二元结构的相对旋转角α变化的示意图，从图中可以看出，在[12.1ghz,12.5ghz]频率范围内以0.1ghz间隔的入射波入射时，对应获得的圆交叉极化透射电磁波相位的变化规律与相位理论变化曲线(σ(θ1 θ2))一致。为了更好说明本实用新型提出的超表面单元结构对电磁波的幅相调控作用，图10、图11分别给出了圆交叉极化透射电磁波的幅度、相位随第一取向角θ1和第一元结构、第二元结构相对旋转角α的变化规律，从图中可以看出，幅度、相位随取向角、旋转角的变化规律与前述理论推导结果一致。
[0068]
本实用新型的另一个实施例，具体公开了一种电磁波幅相调控器件，包括多个透射式超表面单元结构；多个透射式超表面单元结构二维阵列排列，其中，每一元结构中c型孔式谐振环的朝向与元结构的取向角相对应，c型孔式谐振环的朝向即c型孔式谐振环的中心与其隔断所在射线所指向的方向，也是对称轴所在的方向。具体的，元结构中，两个c型孔式谐振环相对于介质基板对称，其对称轴在同一平面内且保持平行，该对称轴所在的方向即元结构的慢轴所在的方向，即元结构的取向角的取向。
[0069]
优选的，所述电磁波幅相调控器件为波束生成器件、全息成像器件或光束聚焦器件等，示例性的，电磁波幅相调控器件可以是双焦点聚焦透镜、多波束生成器、贝塞尔波束生成器、全息成像设备等。
[0070]
优选的，每一超表面单元结构中两个元结构中的第一元结构的取向角、第二元结构的取向角的大小与所需调控的幅度的对应关系如下：
[0071]
a＝cos(θ2‑
θ1)，
[0072]
其中，θ1表示所述第一元结构的取向角，θ2表示所述第二元结构的取向角，a表示所述所需调控的幅度。
[0073]
优选的，两个元结构中的第一元结构的取向角、第二元结构的取向角的大小与所述所需调控的相位的对应关系如下：
[0074][0075]
其中，当入射波为右旋圆极化电磁波，透射波为左旋圆极化电磁波时，σ＝1；当入射波为左旋圆极化电磁波，透射波为右旋圆极化电磁波时，σ＝
‑
1，表示所需调控的相位。
[0076]
优选的，两个元结构中的第一元结构的取向角、第二元结构的取向角的正负与其取向的对应关系如下：
[0077]
若第一元结构的取向角为正数，则第一元结构的取向角为第一元结构中c型孔式谐振环的对称轴沿水平方向逆时针旋转形成的与该水平方向的夹角；若所述第一元结构的
取向角为负数，则第一元结构的取向角为第一元结构中c型孔式谐振环的对称轴沿水平方向顺时针旋转形成的与该水平方向的夹角。
[0078]
若第二元结构的取向角为正数，则第二元结构的取向角为第二元结构中c型孔式谐振环的对称轴沿水平方向逆时针旋转形成的与该水平方向的夹角；若第二元结构的取向角为负数，则第二元结构的取向角为第二元结构中c型孔式谐振环的对称轴沿水平方向顺时针旋转形成的与该水平方向的夹角。本领域技术人员能够理解的，此处的“旋转”只是为了描述取向角的正负与其取向间的关系，并不是指c型孔式谐振环可在圆形导体贴片上旋转，在实际应用中，确定好元结构的取向角之后，直接设置c型孔式谐振环的朝向与水平方向间的夹角为取向角即可。
[0079]
优选的，两个元结构间的空气层厚度的取值范围为[4.75mm,5.25mm]。圆形导体贴片的厚度的取值范围为[0.0171mm,0.0189mm]、半径取值范围为[3.325mm,3.675mm]，c型孔式谐振环的内半径取值范围为[2.85mm,3.15mm]、外半径取值范围为[3.04mm,3.36mm]，c型孔式谐振环对应的隔断宽度的取值范围为[0.19mm,0.21mm]。此外，介质基板边长的取值范围为[8.55mm,9.45mm]，厚度的取值范围为[1.425mm,1.575mm]；优选的，介质基板的材质为f4b、相对介电常数为2.65、损耗角正切值的取值范围为(0,0.01]。在上述参数范围内的超表面单元结构组成的调控器件均能满足电磁波幅相调控的需求。
[0080]
示例性的，以双焦点聚焦透镜为例，具体的，双焦点聚焦透镜所需调控的幅度和相位分布满足下述公式：
[0081][0082]
其中，a(x,y)表示位置坐标为(x,y)的超表面单元结构所需调控的幅度，表示位置坐标为(x,y)的超表面单元结构所需调控的相位，(x1,y1)、(x2,y2)分别表示双焦点聚焦透镜的两个焦点的位置坐标，a1、a2分别表示两个焦点的电场幅度，f1、f2分别表示两个焦点对应的焦距，λ表示入射光波长。
[0083]
在前述实施例中超表面单元结构参数设置的基础上，所需设计的双焦点聚焦透镜为横向双焦点聚焦透镜时，示例性的，设置两个焦点的电场幅度分别0.5、0.5，对应的焦距分别为300mm、300mm，对应的焦点坐标分别为(x1,y1)＝(
‑
75mm,0mm)、(x2,y2)＝(75mm,0mm)，入射光波长为12.3ghz；所需设计的双焦点聚焦透镜为轴向双焦点聚焦透镜时，示例性的，设置两个焦点的电场幅度分别1、0.707，对应的焦距分别为50mm、150mm，对应的焦点坐标分别为(x1,y1)＝(0mm,0mm)、(x2,y2)＝(0mm,0mm)，入射光波长为12.3ghz。
[0084]
分别以横向双焦点聚焦透镜和轴向双焦点聚焦透镜为例，将参数设置好的超表面单元结构二维阵列排列；根据横向双焦点聚焦透镜或轴向双焦点聚焦透镜所需调控的幅度和相位分布对应设置每一超表面单元结构中第一元结构和第二元结构的取向角，即设置第一元结构和第二元结构中c型孔式谐振环的朝向，使每一超表面单元结构内第一元结构和第二元结构的取向角与该超表面单元结构所处位置所需调控的幅度和相位相对应，从而获得相应的双焦点聚焦透镜，以实现对电磁波的幅度和相位的调控，即聚焦。
[0085]
与现有技术相比，本实用新型实施例公开的透射式超表面单元结构，首先，通过设置超表面单元结构中两个元结构的取向角即可实现对电磁波幅度和相位的独立、连续调控，且无需改变单元结构的尺寸，调控方式灵活、调控效率高；该超表面单元结构对电磁波
幅度的调控范围为[0,1]，对电磁波相位的调控范围为[0
°
,360
°
]；其次，本实用新型提出的透射式超表面单元结构是基于波片理论和pb相位理论对电磁波的幅度、相位进行调控的，具有完善的理论支撑，且无需依靠改变结构参数无规律的对电磁波幅度和相位进行调控，因此基于该超表面单元结构能够快速精准的设计出各种电磁波幅相调控器件，例如双焦点聚焦透镜、多波束产生器、贝塞尔波束产生器和全息成像器件等，大大降低了器件设计的复杂度，适用性强，应用场景广泛，且通过改变该超表面单元结构的电尺寸匹配相应的圆形导体贴片和介质的材质，可以使该超表面单元结构工作于微波波段、红外波段、太赫兹波段、光频波段等。此外，本实用新型提出的电磁波幅相调控器件的二维阵列中每一超表面单元结构的结构尺寸均相同，只有两个元结构的取向角不同，简化了二维阵列的制造工艺，很大程度上降低了制造成本。
[0086]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。