[发明专利]基于全相位范围调节的石墨烯超表面

说明书

本发明提供一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面，包括多个石墨烯贴片、介质板以及金属地板，所述石墨烯贴片设置于所述介质板的上表面，所述介质板的下表面贴合于金属地板的上表面，其中：所述基于全相位范围调节的石墨烯超表面划分为N*N个石墨烯反射单元，所述介质板划分为N*N个介质板区块，所述金属地板划分为N*N个金属地板区块；每个石墨烯反射单元包括一个最上层的石墨烯贴片、一个中间层的介质板区块，以及一个底层的金属地板区块。本发明所述基于全相位范围调节的石墨烯超表面通过利用石墨烯反射单元产生1‑拓扑模式的石墨烯超表面，能够准确的产生1‑拓扑模式的轨道角动量(OAM)的涡旋波，提高了涡旋波的性能和控制精度，同时也能够实现全相位调制。

技术领域

本发明涉及微波通信的技术领域，尤其涉及一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面。

背景技术

带有轨道角动量(OAM)的涡旋电磁波具有螺旋相位特性，这种螺旋相位依赖于相位因子e^-jlφ，具有不同拓扑荷l(即不同的拓扑荷对应不同的拓扑模式，例如l＝1时对应1-拓扑模式)的涡旋电磁波相互正交独立，利用这一特性使用不同拓扑荷的波束可以区分不同的信道，实现在同一频带同时传输多路信息，或将信息编码为不同的涡旋模式进行传输。

关于如何产生涡旋波有不少方面的研究，多数研究集中在微波频段，而随着通信速率的逐渐提高，应用频段也随之逐渐提升到太赫兹频段。而针对太赫兹频段，由于石墨烯材料具有低损耗和高导电性的特点常被用来设计太赫兹器件。目前用来产生涡旋波的石墨烯超表面，通常是通过改变石墨烯贴片形状或调节石墨烯化学势，从而获得不同反射相位的。但是这两种方法通常都只能实现0°～300°的相位调节范围，无法实现360°的全相位调节能力，这样在组成超表面时，就会降低涡旋波的性能和控制精度。此外，也有少数研究能够实现全相位调制，但使用的多层且复杂的结构，不便于集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面，旨在解决现有技术中石墨烯超表面无法实现0～360°全相位调控精确控制1-拓扑模式的轨道角动量(OAM)的涡旋波的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于全相位范围调节的石墨烯超表面，该石墨烯超表面包括多个石墨烯贴片、介质板以及金属地板，所述石墨烯贴片设置于所述介质板的上表面，所述介质板的下表面贴合于金属地板的上表面，其中：

所述基于全相位范围调节的石墨烯超表面划分为N*N个石墨烯反射单元，所述介质板划分为N*N个介质板区块，所述金属地板划分为N*N个金属地板区块；

每个石墨烯反射单元包括一个最上层的石墨烯贴片、一个中间层的介质板区块，以及一个底层的金属地板区块，每个石墨烯贴片的中心点的平面坐标与贴合于该石墨烯贴片下方的介质板区块的中心点的平面坐标重合，所述石墨烯贴片的长边与三维空间坐标轴X轴的旋转角度为θ，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：

其中，Φ(x,y)为每个位置处的反射相位，为每个位置处的方位角，l为拓扑模式的取值，x和y分别为横纵坐标位置。

优选的，所述基于全相位范围调节的石墨烯超表面的工作频率为1.5THz。

优选的，当所述石墨烯贴片在小于10THz频率工作时，所述石墨烯贴片的带内电导率σ_intra由以下公式计算得出：

其中，j为虚部单位，e为单位电荷、k_B为波尔兹曼常数、是约化普朗克常数、T为温度、Γ为石墨烯贴片的散射率、τ是弛豫时间、ω是角频率、μ_c为化学势。

优选的，T为300K、化学势μ_c＝0.64eV、弛豫时间τ＝14.6ps、石墨烯贴片的散射率为Γ＝1/(2τ)。