幅度调控超表面单元及幅控相位等效方法

1.本发明涉及天线(h05b6/72)领域、复合透镜(g02b3/00)、产生全息图的工艺过程或设备(g03h1/04)，具体是幅度调控超表面单元及幅控相位等效方法。


背景技术：

2.超表面是近年来兴起的新型技术，它作为超构材料的二维形式在电磁学、光学、声学、热力学等诸多科学领域发挥着越来越重要的作用，成为这些领域的研究热点。超表面由超表面单元周期性排列而成，传统超表面单元的相位通过直接调控相位或调控旋转角度获得。这类超表面单元的设计难度较大，超表面的结构复杂，同时这些方法多为电磁谐振模式，因此超表面单元的工作带宽窄。随着相关技术的发展，对超表面单元的设计提出了越来越高的要求，具有低结构复杂度、宽带化工作的超表面单元已成为该领域的重要需求。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有技术的关键难题，提供了一种幅度调控超表面单元及幅控相位等效方法。它不再对单元的相位进行直接控制，而是通过调控单元中各子单元的幅度来实现对单元整体响应相位的控制。这对于降低超表面单元设计难度，简化结构复杂度，拓宽其工作带宽提供了新的解决途径。
4.首先需要说明的是，超表面为一种二维结构，它由超表面单元周期性排列而成，通过调控各超表面单元的响应相位，实现对超表面出射波束的控制。因此，超表面的设计归根到底为对超表面单元的相位控制。
5.本发明提供了一种幅度调控超表面单元，超表面单元由两个子单元组成，分别定义为子单元1和子单元2，两个子单元的排列方式需要根据超表面的波束调控需求确定，若波束在一维方向调控时，超表面单元的两个子单元应沿波束调控方向排布。两个子单元的响应极化相同，即两个子单元的出射波具有相同的极化方向，如此可确保两个子单元出射波可以进行叠加。若超表面单元需要双极化工作，则需将出射波分解到两个正交方向上，并在两个正交方向分别进行电磁波的叠加。两个子单元的响应相位存在固定的π/2相位差，即子单元1的响应相位为p，子单元2的响应相位为p π/2，其中p为单元的参考相位，为非调控元素，其可为任意值，具体可根据单元的设计情况选取。子单元1的响应幅度为cos(a)，子单元2的响应幅度为sin(a)，a为一个幅度参数，可以通过引入损耗或阻抗控制实现其参数控制。最后，该超表面单元的出射波为子单元1和子单元2出射波叠加，其整体响应相位为a p，如此，超表面单元通过调控两个子单元的幅度参数a获得对单元响应相位的控制。
6.进一步改进，所述的幅度调控超表面单元的工作形式可以为经典空馈型，即超表面单元对自由空间入射的电磁波进行响应，这种类型的超表面按照入射波和出射波的波矢方向分为反射式和透射式，本发明提供的幅控超表面单元对两者均适用；单元的工作形式也可以是辐射式超表面，即超表面单元对馈电网络馈入的电磁波进行响应。
7.进一步改进，所述的幅度调控超表面单元构成的超表面，其入射波极化可为任意
极化，包括线极化、圆极化、椭圆极化，但应保证出射波满足电磁波叠加的极化需求。
8.进一步改进，所述的幅度调控超表面单元，当其所组成的整体超表面需要进行二维波束控制时，即超表面的波束需要在两个正交方向上进行控制时，仅有两个子单元的幅度调控超表面单元较难满足设计需求。因此，我们可以将多个所述超表面单元进行组合并沿二维方向排列，可以更好地满足二维波束调控需求。根据正交分离原理，超表面单元的二维排列方向宜为正交的两个方向。各单元的具体组合方式以及各单元中子单元的排列方向和方式，包括单元的个数、各单元中子单元的排列方向、共用子单元的选择等应根据波束调控需求确定，确保沿两个正交方向看去，单元所在位置的等效相位都满足二维波束调控需求。
9.本发明还提供了一种幅控相位等效方法，其包括以下步骤：
10.(1)根据整体超表面波束调控需求，计算各超表面单元的所需响应相位，计算中单元的位置采用单元中心的位置，该计算可以利用天线阵理论、天线阵波束赋形理论、广义斯涅耳定理、复相加理论获得；
11.(2)对于所需响应相位为q的超表面单元，其包括两个子单元，分别为子单元1和子单元2，子单元1的响应相位和响应幅度为p和cos(a)，子单元2的响应相位和响应幅度为p π/2和sin(a)，整个单元的响应电磁波为两个子单元响应电磁波的叠加，根据欧拉公式的变形公式exp(i(p a))＝exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)
12.exp(iπ/2))，单元整体响应相位为p a，使p a＝q，则获得所需响应相位q，其中p为固定相位差，不做调控，cos(a)和sin(a)分别表示子单元1和子单元2的幅度，通过幅度参数a即可调控单元整体响应相位；
13.(3)当所需相位由q变为q’时，调控幅度参数由a至a’，使p a’＝q’，从而实现通过调控子单元的幅度控制单元整体响应相位的功能。
14.进一步改进，所述的幅控相位等效方法，当超表面单元构成的超表面需要进行二维波束控制时，可将多个所述超表面单元进行组合并沿二维方向排列以适应波束调控需求。显而易见，多个超表面单元组合后，其子单元个数必然大于两个。此时，若超表面单元组合包含n个子单元，定义为子单元1、子单元2、子单元3
……
子单元n，对于所需响应相位为q的超表面单元，其子单元的幅度和相位满足公式exp(iq)＝a1 exp(ip1) a2exp(ip2) a3 exp(ip3)
……
an exp(ipn)，其中a1、p1为子单元1的幅度和相位，a2、p2为子单元2的幅度和相位，a3、p3为子单元3的幅度和相位，
……
an、pn为子单元n的幅度和相位，p1、p2、p3
……
pn为固定元素，a1、a2、a3
……
an为可调幅度元素以调控单元的整体响应相位。这一计算基于辐射的叠加原理。
15.本发明有益效果在于：
16.1、可通过调控幅度实现对超表面单元的响应相位调控。
17.2、降低传统超表面单元的设计难度。
18.3、简化传统超表面单元的结构复杂度。
19.4、可实现超表面单元的宽带化工作。
附图说明
20.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实
施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1是由两个子单元构成的反射型幅度调控超表面单元示意图。
22.图2是由两个子单元构成的透射型幅度调控超表面单元示意图。
23.图3是由四个子单元构成的反射型幅度调控超表面单元示意图。
24.图4是由四个子单元构成的透射型幅度调控超表面单元示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。在本发明幅度调控超表面单元及幅控相位等效方法的实施例中，图1为由两个子单元构成的反射型幅度调控超表面单元示意图，该超表面单元由沿x方向排列的两个子单元组成，故其适合于在xoz面进行波束控制。两个子单元分别定义为子单元1和子单元2。入射电磁波沿-z方向照射到超表面单元上，并于超表面各子单元处反射。经过超表面后，超表面各子单元会对入射电磁波进行响应，分别形成出射波1和出射波2，它们的响应相位和响应幅度分别是：出射波1为p和cos(a)，出射波2为p π/2和sin(a)。超表面单元的整体出射波为出射波1和出射波2的叠加，根据欧拉公式的变形公式可知，该超表面单元的出射波为exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，即其出射波的整体等效相位为p a。其中，p为单元的参考相位，由单元的相位元素获得，为固定参数，不做调控；a表征了两个子单元的响应幅度，通过引入损耗元器件或者阻抗网络进行调控，实现对出射电磁波的相位控制。超表面单元输入波的极化可为任意极化形式，但两个子单元出射波的极化形式一致，以确保叠加时不引入极化分量的影响。若超表面单元需要对两个极化进行相位控制时，应对两个正交极化的相位和幅度分别设计。
26.图2为由两个子单元构成的透射型幅度调控超表面单元示意图，该超表面单元由沿x方向排列的两个子单元组成，故其适合于在xoz面进行波束控制。两个子单元分别定义为子单元1和子单元2。入射电磁波沿 z方向照射到超表面单元上，并经过超表面各子单元透射。电磁波在透射超表面各子单元过程中，与子单元相互作用，对出射电磁波进行幅度控制，分别形成出射波1和出射波2，它们的响应相位和响应幅度分别是：出射波1为p和cos(a)，出射波2为p π/2和sin(a)。超表面单元的整体出射波为出射波1和出射波2的叠加，根据欧拉公式的变形公式可知，该超表面单元的出射波为exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，即其出射波的整体等效相位为p a。其中，p为单元的参考相位，由单元的相位元素获得，为固定参数，不做调控；a表征了两个子单元的响应幅度，通过引入损耗元器件或者阻抗网络进行调控，实现对出射电磁波的相位控制。超表面单元输入波的极化可为任意极化形式，但两个子单元出射波的极化形式一致，以确保叠加时不引入极化分量的影响。若超表面单元需要对两个极化进行相位控制时，应对两个正交极化的相位和幅度分别设计。
27.图3为由四个子单元构成的反射型幅度调控超表面单元示意图，该超表面单元由四个子单元沿x
×
y方向2
×
2排列，分别定义为子单元1、子单元2、子单元3和子单元4。由于四个子单元沿两个正交方向排列，故其适用于二维波束控制。入射电磁波沿-z方向照射到超表面单元上，并于超表面各子单元处反射。经过超表面后，超表面各子单元会对入射电磁波进行响应，分别形成出射波1、出射波2、出射波3和出射波4。它们的响应相位和响应幅度分别是：出射波1为p和cos(a)，出射波2为p π/2和sin(a)，出射波3为p π/2和sin(a)，出射波4为p和cos(a)。超表面单元的整体出射波为出射波1、出射波2、出射波3和出射波4的叠
加。根据欧拉公式的变形公式可知，在x方向上，出射波1和出射波2叠加的出射波为exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，出射波3和出射波4叠加的出射波为exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，故其出射波沿x方向的等效相位为p a；在y方向上，出射波1和出射波3叠加的出射波为exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，出射波2和出射波4叠加的出射波为exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，故其出射波沿y方向的等效相位为p a；从整体上看，出射波1、出射波2、出射波3和出射波4叠加的出射波为2exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，其出射波的整体等效相位依旧为p a。其中，p为单元的参考相位，由单元的相位元素获得，为固定参数，不做调控；a表征了两个子单元的响应幅度，通过引入损耗元器件或者阻抗网络进行调控。如此，该超表面单元在两个正交方向上可以对等效相位进行幅度调控。超表面单元输入波的极化可为任意极化形式，但两个子单元出射波的极化形式一致，以确保叠加时不引入极化分量的影响。若超表面单元需要对两个极化进行相位控制时，应对两个正交极化的相位和幅度分别设计。此外，需要说明的是，在二维扫描超表面单元的设计时，子单元的个数不限于四个，也可以为其它数量；也不限于2
×
2的矩形排列，具体的排列方式可根据实际需要确定，并本根据复数叠加原理进行相位等效和设计。此类设计完全基于本发明提出的方法，故应属于本发明的保护范围。
28.图4为由四个子单元构成的透射型幅度调控超表面单元示意图，该超表面单元由四个子单元沿x
×
y方向2
×
2排列，分别定义为子单元1、子单元2、子单元3和子单元4。由于四个子单元沿两个正交方向排列，故其适用于二维波束控制。入射电磁波沿 z方向照射到超表面单元上，并经过超表面各子单元透射。电磁波透射超表面各子单元过程中，与子单元相互作用，对出射电磁波进行幅度控制，分别形成出射波1、出射波2、出射波3和出射波4。它们的响应相位和响应幅度分别是：出射波1为p和cos(a)，出射波2为p π/2和sin(a)，出射波3为p π/2和sin(a)，出射波4为p和cos(a)。超表面单元的整体出射波为出射波1、出射波2、出射波3和出射波4的叠加。根据欧拉公式的变形公式可知，在x方向上，出射波1和出射波2叠加的出射波为exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，出射波3和出射波4叠加的出射波为exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，故其出射波沿x方向的等效相位为p a；在y方向上，出射波1和出射波3叠加的出射波为exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，出射波2和出射波4叠加的出射波为exp(ip)
×
29.(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，故其出射波沿y方向的等效相位为p a；从整体上看，出射波1、出射波2、出射波3和出射波4叠加的出射波为2exp(ip)
×
(cos(a) sin(a)exp(iπ/2))，其出射波的整体等效相位依旧为p a。其中，p为单元的参考相位，由单元的相位元素获得，为固定参数，不做调控；a表征了两个子单元的响应幅度，通过引入损耗元器件或者阻抗网络进行调控。如此，该超表面单元在两个正交方向上可以对等效相位进行幅度调控。超表面单元输入波的极化可为任意极化形式，但两个子单元出射波的极化形式一致，以确保叠加时不引入极化分量的影响。若超表面单元需要对两个极化进行相位控制时，应对两个正交极化的相位和幅度分别设计。此外，需要说明的是，在二维扫描超表面单元的设计时，子单元的个数不限于四个，也可以为其它数量；也不限于2
×
2的矩形排列，具体的排列方式可根据实际需要确定，并本根据复数叠加原理进行相位等效和设计。此类设计完全基于本发明提出的方法，故应属于本发明的保护范围。
30.在本实施例中，入射波为垂直入射到超表面单元，在其它应用中，入射波也可为斜
入射。其具体方法为，根据电磁波折反射定理，各子单元对辐射波的响应方向一致，此时在出射波方向上电磁波进行叠加，且其等效相位依旧满足幅控超表面的设计公式。此类方法是较为常规的设计思路，基于本发明提出的方法很容易得出此设计，故亦应属于本发明的保护范围。
31.本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。