一种全空间多功能编码超表面

1.本发明涉及天线技术领域和新型人工电磁超材料技术领域，特别是一种全空间多功能编码超表面。


背景技术：

2.超表面是一种自然界不存在的人工制造的新型二维材料，是在二维表面上分布不同几何形状和材料的粒子，使其具有很多的天然材料不具有的特性。超表面能够灵活操纵电磁波的幅度和相位，从而实现多种功能，因此在各方面受到了广泛关注。
3.由于透射和反射之间存在一定的干扰，目前设计的大多数超表面只能操纵只有透射或反射电磁波的半空间波前，无法在反射模式和透射模式进行切换，不能够在不同电磁波的入射下，实现反射和透射的不同功能，在使用中具有很大的局限性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种结构简单、容易实现、能够对超表面电磁波的反射和透射的幅度和相位进行有效调控的全空间多功能编码超表面。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种全空间多功能编码超表面，该多功能编码超表面由多个超表面单元周期排列构成，每个超表面单元的右下角为原点o、向左为y轴正向、竖直向上为x轴正向；每个超表面单元从上往下依次是第一层金属贴片、介质基板和第二层金属贴片，其中；
6.所述第一层金属贴片包括第一金属片，第一金属片由沿着一条中轴线顺次设置的第一扇环形金属片、第一长方形金属片、圆环形金属片、第二长方形金属片和第二扇环形金属片构成；所述第一金属片的中轴线为一条沿着x轴正向逆时针向y轴正向旋转45
°
的直线，即第一层金属贴片的倾斜方向为45
°
；第一扇环形金属片和第二扇环形金属片结构尺寸相同，第一长方形金属片和第二长方形金属片结构尺寸相同，所述第一金属片为中心对称图形且关于中轴线左右对称；
7.所述第二层金属贴片包括第二金属片，第二金属片为正方形金属片，刻有长方形金属槽及其外部的c形金属槽；c形金属槽开口方向为左上方，即开口圆弧的圆心角的角平分线为一条沿着x轴正向逆时针向y轴正向旋转45
°
的直线，且长方形金属槽和c形金属槽均关于xoy的角平分线对称。
8.进一步地，所述圆环形金属片、第一扇环形金属片、第一长方形金属片、第二扇环形金属片、第二长方形金属片的宽度相同。
9.进一步地，所述长方形金属槽的纵向平行于xoy的角平分线。
10.进一步地，所述的超表面单元的结构周期为10mm。
11.进一步地，所述介质基板采用rogersrt5880，厚度为1.57mm，介质基板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
12.进一步地，所述第二层金属贴片的单元相位设计要求满足下式：
[0013][0014]
式中，是单元的相位，x、y是指超表面单元的位置坐标，f是焦平面上焦点的焦距，d
x
、dy是指焦点在焦平面的位置坐标。
[0015]
进一步地，所述超表面是多个超表面单元周期排列构成，超表面上层放置15
×
15个超表面单元，超表面下层放置15
×
15个超表面单元。
[0016]
进一步地，通过改变第一层金属贴片的倾斜方向和第一扇环形金属片、第二扇环形金属片的大小来调控反射电磁波的相位和幅度，使反射电磁波的相位和幅度与第一层金属贴片的倾斜方向和第一扇环形金属片、第二扇环形金属片的大小实现映射。
[0017]
进一步地，通过改变c形金属槽的开口方向和开口大小来调控透射电磁波的相位和幅度，使透射电磁波的相位和幅度与c形金属槽的开口方向和开口大小实现映射。
[0018]
进一步地，根据第一层金属贴片的倾斜方向、第一扇环形金属片和第二扇环形金属片的大小、c形金属槽的开口方向和开口大小，将包含15
×
15个超表面单元的第一层金属贴片和第二层金属贴片进行排列，实现不同方向的散射波束和多焦点聚焦的功能，控制散射波束的个数和方向、焦点的个数和焦距。
[0019]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过调整第一层金属贴片倾斜方向和扇环形大小时，可以对入射的17ghz电磁波进行反射相位和幅度的有效调控；(2)通过调整第二层金属贴片的开口方向和开口大小，可以对入射的7ghz电磁波进行透射相位和幅度的有效调控；(3)同一个超表面单元不改变单元的排布，在不同的频率入射下能够实现不同的功能。
附图说明
[0020]
图1a是本发明全空间多功能编码超表面的结构侧视图。
[0021]
图1b是本发明全空间多功能编码超表面的第一层金属贴片结构示意图。
[0022]
图1c是本发明全空间多功能编码超表面的第二层金属贴片结构示意图。
[0023]
图2a是本发明全空间多功能编码超表面单元反射幅度随α1和the变化的仿真结果曲线图。
[0024]
图2b是本发明全空间多功能编码超表面单元反射相位随α1和the变化的仿真结果曲线图。
[0025]
图3a是本发明全空间多功能编码超表面单元透射幅度随α2和beta变化的仿真结果曲线图。
[0026]
图3b是本发明全空间多功能编码超表面单元透射相位随α2和beta变化的仿真结果曲线图。
[0027]
图4a是本发明全空间多功能编码超表面在入射电磁波为17ghz的φ＝0
°
远场仿真结果曲线图。
[0028]
图4b是本发明全空间多功能编码超表面在入射电磁波为17ghz的φ＝90
°
远场仿真结果曲线图。
[0029]
图5a是本发明全空间多功能编码超表面在7ghz电磁波入射下的聚焦侧视图。
[0030]
图5b是本发明全空间多功能编码超表面在7ghz电磁波入射下不同位置的x-y平面
聚焦的电场强度图。
[0031]
图5c是本发明全空间多功能编码超表面在7ghz电磁波入射下x-z平面聚焦的电场强度图。
具体实施方式
[0032]
本发明一种全空间多功能编码超表面，其特征在于，该多功能编码超表面由多个超表面单元周期排列构成，每个超表面单元的右下角为原点o、向左为y轴正向、竖直向上为x轴正向；每个超表面单元从上往下依次是第一层金属贴片1、介质基板2和第二层金属贴片3，其中；
[0033]
所述第一层金属贴片1包括第一金属片11，第一金属片11由沿着一条中轴线顺次设置的第一扇环形金属片112、第一长方形金属片113、圆环形金属片111、第二长方形金属片115和第二扇环形金属片114构成；所述第一金属片11的中轴线为一条沿着x轴正向逆时针向y轴正向旋转角度α1＝45
°
的直线；第一扇环形金属片112和第二扇环形金属片114结构尺寸相同，第一长方形金属片113和第二长方形金属片115结构尺寸相同，所述第一金属片11为中心对称图形且关于中轴线左右对称；
[0034]
所述第二层金属贴片3包括第二金属片31，第二金属片31为正方形金属片，刻有长方形金属槽311及其外部的c形金属槽312；c形金属槽312开口方向为左上方，即开口圆弧的圆心角的角平分线为一条沿着x轴正向逆时针向y轴正向旋转角度α2＝45
°
的直线，且长方形金属槽311和c形金属槽312均关于xoy的角平分线对称。
[0035]
作为一种具体示例，所述圆环形金属片111、第一扇环形金属片112、第一长方形金属片113、第二扇环形金属片114、第二长方形金属片115的宽度相同。
[0036]
作为一种具体示例，所述长方形金属槽311的纵向平行于xoy的角平分线。
[0037]
作为一种具体示例，所述的超表面单元的结构周期为10mm。
[0038]
作为一种具体示例，所述介质基板2采用rogersrt5880，厚度为1.57mm，介质基板2的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
[0039]
作为一种具体示例，所述第二层金属贴片3的单元相位设计要求满足下式：
[0040][0041]
式中，是单元的相位，x、y是指超表面单元的位置坐标，f是焦平面上焦点的焦距，d
x
、dy是指焦点在焦平面的位置坐标。
[0042]
作为一种具体示例，所述超表面是多个超表面单元周期排列构成，超表面上层放置15
×
15个超表面单元，超表面下层放置15
×
15个超表面单元。
[0043]
作为一种具体示例，所述的全空间多功能编码超表面，通过改变第一层金属贴片1的倾斜方向和第一扇环形金属片112、第二扇环形金属片114的大小来调控反射电磁波的相位和幅度，使反射电磁波的相位和幅度与第一层金属贴片1的倾斜方向和第一扇环形金属片112、第二扇环形金属片114的大小实现映射。
[0044]
作为一种具体示例，所述的全空间多功能编码超表面，通过改变c形金属槽312的开口方向和开口大小来调控透射电磁波的相位和幅度，使透射电磁波的相位和幅度与c形金属槽312的开口方向和开口大小实现映射。
[0045]
作为一种具体示例，所述的全空间多功能编码超表面，根据第一层金属贴片1的倾斜方向、第一扇环形金属片112和第二扇环形金属片114的大小、c形金属槽312的开口方向和开口大小，将包含15
×
15个超表面单元的第一层金属贴片1和第二层金属贴片2进行排列，实现不同方向的散射波束和近范围内的多焦点聚焦的功能，能够控制散射波束的个数和方向、焦点的个数和焦距。
[0046]
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。
[0047]
实施例
[0048]
本发明一种全空间多功能编码超表面，能够实现全空间电磁波的控制，首先根据单元相位对超表面进行排布，在不改变单元排布的情况下，改变入射波的频率，实现不同的功能。
[0049]
结合图1a，该多功能编码超表面由多个超表面单元周期排列构成，每个超表面单元从上往下依次是第一层金属贴片1、介质基板2和第二层金属贴片3，其中；
[0050]
结合图1b，所述第一层金属贴片1包括第一金属片11，第一金属片11由圆环形金属片111、第一扇环形金属片112、第一长方形金属片113、第二扇环形金属片114和第二长方形金属片115构成；所述圆环形金属片111、第一扇环形金属片112、第一长方形金属片113、第二扇环形金属片114、第二长方形金属片115的宽度相同；
[0051]
结合图1c，所述第二层金属贴片3包括第二金属片31，第二金属片31为正方形金属片，刻有长方形金属槽311和c形金属槽312；
[0052]
所述第一层金属贴片1的倾斜方向和第二层金属贴片3的开口方向均为-45度和 45度，关于对角线对称。
[0053]
进一步地，所述第一扇环形金属片112和第二扇环形金属片114结构尺寸相同并且二者关于第一金属片11对角线对称；所述第一长方形金属片113和第二长方形金属片115结构尺寸相同并且二者关于第一金属片11对角线对称；所述第一金属片11关于其自身对角线对称。
[0054]
进一步地，所述长方形金属槽311和c形金属槽312均关于第二金属片31对角线对称；所述第二金属片31关于其自身对角线对称。
[0055]
进一步地，所述的超表面单元的结构周期为10mm。
[0056]
进一步地，所述介质基板2采用rogersrt5880，厚度为1.57mm，介质基板2的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
[0057]
进一步地，所述第二层金属贴片3的单元相位设计要求满足下式：
[0058][0059]
式中：是单元的相位，x、y是指超表面单元的位置坐标，f是焦平面上焦点的焦距，d
x
、dy是指焦点在焦平面的位置坐标。
[0060]
进一步地，所述超表面是多个超表面单元周期排列构成，超表面上层放置15
×
15个超表面单元，超表面下层放置15
×
15个超表面单元。
[0061]
进一步地，通过改变所述第一层金属贴片1的倾斜方向和第一扇环形金属片112、第二扇环形金属片114的大小，来调控反射电磁波的相位和幅度，反射的相位和幅度与第一层金属贴片1的倾斜方向和第一扇环形金属片112、第二扇环形金属片114的大小实现映射。
[0062]
进一步地，通过改变所述c形金属槽312的开口方向和开口大小，来调控透射电磁波的相位和幅度，透射的相位和幅度与c形金属槽312的开口方向和开口大小实现映射。
[0063]
进一步地，根据所述第一层金属贴片1的倾斜方向、第一扇环形金属片112和第二扇环形金属片114的大小、c形金属槽312的开口方向和开口大小，将包含15
×
15个超表面单元的第一层金属贴片1和第二层金属贴片2进行有序的排列，能够实现不同方向的散射波束和近范围内的多焦点聚焦的功能，散射波束的个数和方向、焦点的个数和焦距可以控制。
[0064]
本结合图1a、图1b、图1c，本实施例的全空间多功能编码超表面，第一层介质基板2的材料为rogersrt5880，介电常数为εr＝2.2，厚度为h＝1.57mm，尺寸为10mm
×
10mm
×
1.57mm；第一层金属贴片1的圆环形金属片111、第一扇环形金属片112、第一长方形金属片113、第二扇环形金属片114和第二长方形金属片115的宽度均为0.6mm；第二层金属贴片3的刻有宽度为2mm的长方形金属槽311和宽度为0.6mm的c形金属槽312的金属层。用hfss仿真软件仿真该单元，分别能够得到透射和反射幅度和相位与α1，α2，the，beta的变化关系。
[0065]
图2a、图2b是本实施例的全空间多功能编码超表面在反射模式，2bit单元对电磁波反射的幅度和相位。
[0066]
图3a、图3b是本实施例的全空多功能编码超表面在透射模式，2bit单元对电磁波透射的幅度和相位。
[0067]
图4a、图4b是本实施例的全空间多功能编码超表面(在17ghz电磁波入射下)的远场方向图，φ＝0
°
时形成对称的波束，φ＝90
°
时也形成对称的波束。
[0068]
图5a是本实施例中全空间多功能编码超表面在7ghz电磁波入射下的聚焦侧视图。
[0069]
图5b是本实施例中全空间多功能编码超表面在7ghz电磁波入射下x-y平面聚焦的电场强度。
[0070]
图5c是本实施例中全空间多功能编码超表面在7ghz电磁波入射下x-z平面聚焦的电场强度。
[0071]
根据公式在7ghz电磁波入射下，根据以上公式计算入射波到达每一个单元的补偿相位，可以在不同的焦距形成焦点，焦点的个数可以进行独立的调控。本发明同时在f1＝40mm和f2＝60mm处形成焦点，在图5中可以明显观察到，仿真结果与设计结果吻合良好。
[0072]
综上所述，本发明一种全空间多功能编码超表面，能够在同一个单元排布的超表面上实现不同的功能，入射电磁波为17ghz时能够形成不同方向和个数的散射波束，入射电磁波为7ghz时下能够实现在不同焦距上的聚焦，同时结构简单，易于加工实现。