[发明专利]基于频率和旋向多元混合通道的多功能超表面及设计方法

说明书

本发明属于多功能超表面技术领域，具体为基于频率和旋向多元混合通道的多功能超表面及其设计方法。本发明多功能超表面由M*M个复合超表面单元在平面内等间距周期地排列组成；每个复合超表面单元由2个对角排列的子结构1和子结构2组成；其中子结构1为单层双开口环谐振器，子结构2为双层十字贴片；子结构1和子结构2成对角棋盘排列；其中，双开口环谐振器和十字贴片提供超表面的双频通道特性，十字贴片提供圆极化波的双旋向通道特性；2个频率通道（f₁，f₂）相互隔离，各提供2个独立调控的旋向通道；本发明频率和旋向多元通道多功能超表面可以提供4个独立的圆极化功能，具有集成度高、可复用性强、体积超薄、效率高等优势。

技术领域

本发明属于多功能超表面技术领域，具体涉及基于频率和旋向多元混合通道的多功能超表面及其设计方法。

背景技术

超表面，作为超材料的一种平面二维形式，由系列亚波长人工电磁结构按照一定排列方式构成。由于厚度薄、加工制作简单、电磁波调控能力强，引起了科学技术人员的研究兴趣。在单个板子上展现出独立多波前调控在现代科学技术和集成光学领域任务非常迫切，应用前景光明。目前公开文献报道主要有以下几种代表性方法。一是基于任意正交线极化波和任意正交旋向圆极化波下各向异性超表面的极化多元调控，主要依靠正交方向上亚波长结构的各项异性和非对称结构参数分布；二是通过引入多模谐振结构，每种结构独立工作于分离的某个特定模式，称之为频率/波长多元；三是空间多元，其基本思想是在空间不同区域(扇区)，紧密排列或相间插入多种实现不同功能的人工电磁结构。四是角度多元，基本原理是将不同功能相位编码在不同入射角度上。当然该领域的快速发展，加速了一些基于极化、频率、空间和角度等多元混合多功能的出现，如多元全息。

尽管如此，现有报道都只能在任意线极化波下提供有效解决方案，它们并不能在任意圆极化波下实现多任务波前调控，极度阻碍了实际应用。任意圆极化波下的多任务波前调控在实际实现时非常具有挑战性，这是因为同一结构在圆极化波不同旋向下的相位特性只是发生符号翻转，两种旋向下的相位和功能都是锁定的，如位置相互倒立的全息图像、发射与收敛聚焦、相互对称偏折波束等。更严重的是，信息容量和功能仅限于2种，难于拓展。

本发明公开了通过同时引入反射相位、几何相位的旋向解耦方法，打破了旋向相位和功能锁定的限制，进一步，基于双开口环谐振器和十字贴片结构的复合超表面单元公开了一种实现频率和旋向多元混合通道的多功能电磁调控新思想，在此基础上公开了相关设计方法及实施例。本发明频率和旋向多元通道多功能超表面可以提供4个独立的圆极化功能，具有集成度高、可复用性强、体积超薄、效率高等优势，是对现有线极化波多元调控的颠覆性互补。

发明内容

本发明目的在于提供一种在圆极化波下能够实现多任务波前调控的多功能超表面及其设计方法。

本发明提供的多功能超表面，为二维超表面，其频率和旋向是多元混合的，其结构如图1所示，所述多功能超表面由M*M个复合超表面单元在平面内等间距周期地排列组成，所述复合超表面单元的结构如图2所示，其由上、中、下三层金属和两层介质板交替层叠组成(即上、中层金属之间，中、下层金属之间分别有一层介质板)；每个复合超表面单元由2个对角排列的子结构1和子结构2组成；其中子结构1为单层双开口环谐振器，子结构2为双层十字贴片，两种子结构共用底层金属地板；子结构1和子结构2成对角棋盘排列(即2个子结构1在45度对角线上，2个子结构2在135度对角线上)；因此，复合超表面上层仅有对角分布的十字贴片，中层包含对角棋盘排列的十字贴片和双开口环谐振器；