[发明专利]一种高效的相位动态可调的反射超构表面

说明书

本发明涉及一种高效的相位动态可调的反射超构表面，旨在改善有源设计损耗高、带宽窄的问题。超构表面的基本单元结构包括由上至下的第一金属贴片层、第一介质层、空气层、第二金属贴片层、第二介质层、第三金属贴片层、第三介质层和第四金属贴片层；第一金属贴片层由一个“工”字型金属贴片构成，一个开关二极管加载在第二金属贴片层的两块不同尺寸的矩形金属贴片之间；第四金属贴片层提供独立的偏置电路，通过加入电感元件隔离交流电和导通直流电。通过调控开关二极管的工作状态，可令超构表面单元在较宽频带内呈现两种相位差为180°的电磁响应。本发明可在一定频段内高效率地提供动态可调的反射相位，且具备结构简单、易于加工、超薄等优点。

技术领域

本发明属于人工电磁超构材料领域，具体涉及一种高效的相位动态可调的反射超构表面。

背景技术

超构表面为亚波长尺寸的结构单元在二维平面内周期性地或非周期性地排列而成的人工电磁材料。由于其具备天然材料所不具备的电磁特性，而被广泛应用于调控电磁波的幅度、相位和极化等基本特性。然而，目前大部分已发表的工作均采用几何相位或传播相位等无源方式实现相位调控，这令超构表面一旦完成加工之后所能实现的功能就完全固定，不适用于复杂多变的应用场景。

近来，科学家们通过在超构表面内加载液晶、二极管、光电材料等有源器件的方式，令超构表面呈现动态可调的电磁响应，从而适用于多种应用场景。 然而，有源器件的引入通常会带来额外的损耗，降低器件的总体工作效率；同时，有源设计往往都仅能工作于较窄的频带之内。

因此，实现一定带宽的高效的相位动态可调的反射超构表面设计仍是重大的挑战。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种高效的相位动态可调的反射超构表面，以改善有源设计损耗高、带宽窄的问题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明提出以下技术方案：

一种高效的相位动态可调的反射超构表面，其基本单元结构包括由上至下的第一金属贴片层、第一介质层、空气层、第二金属贴片层、第二介质层、第三金属贴片层、第三介质层和第四金属贴片层；所述第一金属贴片层由“工”字型结构构成；所述第二金属贴片层由两块不同尺寸的矩形金属贴片构成，且一个开关二极管加载在这两块不同尺寸的矩形金属贴片之间，尺寸较小的矩形金属贴片通过金属过孔与第四金属贴片层相连；所述第三金属贴片层作为等效金属底板，所述第四金属贴片层为每个结构单元提供独立的偏置电路，且通过加入电感元件隔离交流电和导通直流电。

作为优选，所述“工”字型结构由两块尺寸相等的金属臂和一块矩形金属贴片构成，通过调整金属臂的长度，可有效调控反射超构表面的工作频率和反射系数。

作为优选，所述第二金属贴片层上两块矩形金属贴片宽度相同，其中一块矩形金属贴片长度略小于（1-2mm）单元边长，另一块矩形金属贴片的长度与单元边长相等，所述开关二极管设置在单元中心位置。

作为优选，所述第四金属贴片层由一块矩形金属贴片、两条相连的金属窄带线和连接在矩形金属贴片与金属窄带线间的一个贴片电感构成。

通过调节金属窄带线的长度和宽度使得线路位置错开，为每个超构表面基本单元提供独立的偏置电路。

第一金属贴片层的电磁谐振强于第二金属贴片层，表面电流主要集中在第一金属贴片层，通过将开关二极管加载至电磁谐振较弱、表面电流较小的第二金属贴片层，可有效地减少热损耗等额外损耗，继而实现高效反射。

通过调控超构表面单元内加载的开关二极管的工作状态，可令超构表面单元在设计频带内呈现两种相位差为180°的电磁响应，从而构成1比特反射相位的动态调控。