[发明专利]一种具有双功能的各向异性编码基本单元及超表面

说明书

本发明公开了一种具有双功能的各向异性编码超表面基本单元，包括依次设置的表面矩形金属贴片、介质板层和金属接地层；由于基本单元的金属接地层未完全覆盖整个介质板层的下表面，因此在不同极化的电磁波的照射下，可实现对y极化入射波的同极化反射，和x极化入射波的交叉极化传输；本发明中采用了不同尺寸的矩形金属贴片所构成的基本单元，其在y极电磁波照射下，可产生不同的反射相位响应，并且通过将具有不同相位响应的基本单元排列组成特定的周期性编码序列，可以获得具有不同偏转角度的反射波束。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种在微波段的具有双功能的各向异性编码基本单元及超表面。

技术背景

超材料是一种三维人工电磁材料，通过设计特定的结构，超材料可对电磁波产生独特的响应。但由于三维结构的高损耗和制造复杂，研究者们开始逐步关注二维结构的超表面，并且引入了相位突变。虽然超表面的厚度几乎可以忽略，但其在调控电磁波的幅度、相位和极化状态方面完全不亚于三维超材料。近些年，研究人员们提出了编码超表面的概念，其通过对超表面进行数字调控以实现独特的电磁响应。编码超表面的特征在于具有不同数字状态的基本单元，通过将单元以适当的方式进行排列，可以实现诸如异常反射、涡旋波束和全息图等功能。

随着超表面领域的发展，超表面为实现入射波不同偏转角度的完美反射提供了一种新方法，这不同于传统的光栅。根据广义反射定律和斯涅尔定律，通过在超表面上引入0°和360°之间的相移，来控制反射波的方向。然而，相位梯度超表面具有功率效率低的缺点。因此，除了广义反射定律和斯涅尔定律外，还需要考虑能量守恒以保证对电磁功率流的控制。此外，在实际设计中，研究者们还采用以下方法来实现完美反射：例如在超表面中引入有源和有损耗元素，使用辅助场，形成非局部超表面，甚至构造新颖的纳米结构等。

但是，上述设计仅集中在反射波光束偏转等单一功能上，故这些超表面的应用场景有限。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有双功能的各向异性编码基本单元及超表面，通过设计不同尺寸的表层矩形金属贴片，以实现覆盖360°的反射相位响应。并且将具有不同相位响应的基本单元排列组成特定的数字编码矩阵，从而获得具有不同偏转角度的反射波束。此外，基本单元采用局部金属地结构，因此其组成的编码超表面还能实现电磁波的传输。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有双功能的各向异性编码超表面基本单元，其特征在于：基本单元包括自上而下依次设置的表层矩形金属贴片、介质板层和金属接地层；所述表层矩形金属贴片贴附于介质板层上表面的中心；所述金属接地层位于介质板层下表面的中心。

进一步的，所述基本单元的周期长度a为14-16mm，基本单元的周期宽度b为3-5mm；所述表层矩形金属贴片的长度共有8种尺寸，分别为2.9-3.1mm、10.05-10.25mm、10.7-10.9mm、10.95-11.15mm、11.25-11.45mm、11.55-11.75mm、11.95-12.15mm和13.3-13.5mm，所述表层矩形金属贴片的宽度w为1.4-1.6mm；所述介质板层的厚度h为0.9-1.1mm，介电常数为4.1-4.5，损耗角正切为0.000-0.006；所述金属接地层的长度与基本单元的周期长度a，所述金属接地层的宽度与表层矩形金属贴片的宽度w相同。

优选的，所述基本单元的周期长度a为15mm，基本单元的周期宽度b为4mm；所述表层矩形金属贴片的长度共有8种尺寸，分别为3mm、10.15mm、10.8mm、11.05mm、11.35mm、11.65mm、12.05mm和13.4mm，所述表层矩形金属贴片的宽度w为1.5mm；所述介质板层的厚度h为1mm；所述金属接地层的长度与基本单元的周期长度a一致，所述金属接地层的宽度与表层矩形金属贴片的宽度w相同。

一种基本单元组成的超表面，所述超表面包括N×M个基本单元，N和M均为非零正整数，N×M个基本单元采用矩阵排列。