双层频率多元反射超表面及设计方法

技术特征：
1.一种双层频率多元反射超表面，其特征在于，所述双层频率多元反射超表面通过高效互补谐振器单元的周期性排列构成，所述高效互补谐振器单元包括两层介质板、在所述两层介质板上构建互补形式的双c形开槽谐振器和双c形金属谐振器以及金属地板；所述双层频率多元反射超表面在低频比的条件下实现模式数l＝3的聚焦oam波束和零阶贝塞尔波束。2.根据权利要求1所述双层频率多元反射超表面，其特征在于，所述高效互补谐振器单元包括依结构顺序设置的双c形开槽谐振器、第一层介质板、双c形金属谐振器、第二层介质板和金属地板。3.根据权利要求2所述双层频率多元反射超表面，其特征在于，所述第一层介质板厚度h1＝1.5mm，第二层介质板厚度h2＝1.5mm，介质板材料为f4b；所述双c形开槽谐振器、双c形金属谐振器和金属地板采用的材料为铜，其电导率为σ＝5.8
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107s/m。4.根据权利要求2所述双层频率多元反射超表面，其特征在于，所述高效互补谐振器单元周期p＝10.2mm；所述双c形开槽谐振器结构参数为：外环外径r1＝4.75mm、外环内径r2＝4.35mm、中间槽宽为w1＝0.3mm、内金属环宽w2＝0.4mm，外环与内环连接部分金属宽度g1＝0.9mm；所述双c形金属谐振器结构参数为：金属环内径宽度r3＝3.0mm、金属环宽度w3＝0.8mm，金属环缝隙宽度g2＝0.3mm。5.根据权利要求4所述双层频率多元反射超表面，其特征在于，所述高效互补谐振器单元在两个谐振频率f1和f2处均实现100％交叉圆极化波转化的独立几何相位调控，其中，双c形开槽谐振器工作于频率f1，负责该频率处的几何相位功能调控，双c形金属谐振器工作于频率f2，负责该频率处的几何相位功能调控，即在谐振频率f1和f2处线极化波入射条件下所述高效互补谐振器单元满足：|r
xx
|＝|r
yy
|＝1其中，r
xx
为在x极化的反射系数，r
yy
为在y极化的反射系数，为在y极化的反射系数，为线极化波同极化反射相位。6.根据权利要求1所述双层频率多元反射超表面，其特征在于，所述双层频率多元反射超表面在工作频率f1＝9.2ghz处实现模式数l＝3的聚焦oam波束，利用相位叠加原理将其分解为聚焦相位部分与涡旋相位部分，对于聚焦相位而言，所述高效互补谐振器单元满足如下相位分布：其中，f0＝214mm为其焦距，p为单元周期，λ为入射电磁波的波长，是任意相位常量，m为沿x方向距原点的单元数目，n为沿y方向距原点的单元数目；对于涡旋波束的相位分布，单元对入射波进行的相位补偿需要满足如下公式：
其中，l＝3为oam波束的模式数；依据电磁波的相位叠加原理，将涡旋相位与聚焦相位进行相位叠加，对于双层频率多元反射超表面的最终单元相位分布满足如下公式：元反射超表面的最终单元相位分布满足如下公式：表示单元在谐振频率f1＝9.2ghz处最终的反射相位。7.根据权利要求1所述双层频率多元反射超表面，其特征在于，所述双层频率多元反射超表面在工作频率f2＝11.2ghz处实现零阶贝塞尔波束，所述高效互补谐振器单元在谐振频率f2的补偿相位满足如下公式：其中，p为单元的周期，λ为入射电磁波的波长，β＝30
°
为贝塞尔波束的衍射半角，m为沿x方向距原点的单元数目，n为沿y方向距原点的单元数目。8.一种双层频率多元反射超表面设计方法，其特征在于，所述双层频率多元反射超表面设计方法包括以下步骤：步骤1，设计双层频率多元反射超表面所需的高效互补谐振器单元，使高效互补谐振器单元在两个谐振频率处实现100％交叉圆极化波的相位调控；步骤2，通过高效互补谐振器单元非周期性排列构成了频率多元反射超表面；步骤3，对双层频率多元反射超表面性能分析，确认双层频率多元反射超表面实现预期功能；在步骤2中，双层频率多元反射超表面最终构建了在以f1＝9.2ghz与f2＝11.2ghz为工作频率的，分别实现了模式数l＝3的聚焦oam波束和零阶贝塞尔波束的频率复用多功能超表面。9.根据权利要求8所述双层频率多元反射超表面设计方法，其特征在于，在步骤2中，所述双层频率多元反射超表面在工作频率f1＝9.2ghz处实现模式数l＝3的聚焦oam波束，利用相位叠加原理将其分解为聚焦相位部分与涡旋相位部分，对于聚焦相位而言，所述高效互补谐振器单元满足如下相位分布：其中，f0＝214mm为其焦距，p为单元周期，λ为入射电磁波的波长，是任意相位常量，m为沿x方向距原点的单元数目，n为沿y方向距原点的单元数目；对于涡旋波束的相位分布，单元对入射波进行的相位补偿需要满足如下公式：其中，l＝3为oam波束的模式数；依据电磁波的相位叠加原理，将涡旋相位与聚焦相位进行相位叠加，对于双层频率多
元反射超表面的最终单元相位分布满足如下公式：元反射超表面的最终单元相位分布满足如下公式：表示单元在谐振频率f1＝9.2ghz处最终的反射相位。10.根据权利要求8所述双层频率多元反射超表面设计方法，其特征在于，在步骤2中，所述双层频率多元反射超表面在工作频率f2＝11.2ghz处实现零阶贝塞尔波束，所述高效互补谐振器单元在谐振频率f2的补偿相位满足如下公式：其中，p为单元的周期，λ为入射电磁波的波长，β＝30
°
为贝塞尔波束的衍射半角，m为沿x方向距原点的单元数目，n为沿y方向距原点的单元数目。

技术总结
本发明为圆极化电磁波垂直照射下在两个不同频率处产生两种不同功能的反射型双功能超表面。其单元结构包括两个互补形金属谐振器和两层介质板以及金属地板。在第一层介质板上印刷有双C形开槽谐振器，第二层介质板上印刷有双C形金属谐振器，最底层印刷有金属地板。本发明通过独立改变单元不同介质板上金属谐振器的旋转角度来实现在两个不同谐振频率处几何相位的独立调控，且在不同谐振频率处单元均实现反射波2π的几何相位覆盖，且反射幅度接近于1。基于单元优异性能，通过高效互补谐振器单元周期性排列并在单元两个谐振频率处旋转不同层的谐振器而形成所述双功能超表面，并在9.2GHz与11.2GHz处实现模式数l＝3的聚焦OAM波束和零阶贝塞尔波束。波束和零阶贝塞尔波束。波束和零阶贝塞尔波束。


技术研发人员：许河秀 逄智超 王朝辉 王彦朝 罗慧玲 徐健 徐硕 王少杰 王明照
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：2022.07.06
技术公布日：2022/8/30