在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法与流程

本发明涉及微波通信的技术领域，尤其涉及一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法。

背景技术：

近年来，控制电磁波的自旋角动量(sam)和轨道角动量(oam)的技术逐渐引起了人们的研究兴趣，由于它们能够应用在通信系统的极化分集和信道编码等方面，因此不断的有研究人员设计超表面器件来独立调控它们。这两种动量是一个传播电磁波的本征特性，它们分别与电磁波的极化和相位有关。由于超表面在控制电磁波极化和相位方面的灵活性，它们被广泛引用于不规则反射或折射、反射阵天线、涡旋波产生器和极化转换器等方面。

随着通信速率逐渐提高，应用频段也会随着升高，能够应用在太赫兹(thz)频段的超表面成为了必然的趋势。现在一些应用太赫兹频段的超表面，大多数是使用金属单元设计的，由于金属在频率较高的thz频段本身的趋肤效应较严重，使电流集中在金属表面，电流分布不平均造成了单元阻抗增加，从而使整个超表面的损耗较高，不利于实际应用。

技术实现要素：

为了解决上述技术缺陷，本发明的主要目的在于提供一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，能够构建一种新型的石墨烯超表面来实现对thz频段电磁波的sam进行调控，并对电磁波在三维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制，而且结构简单，易于集成。

为实现上述目的，本发明提供了一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，应用于计算机装置中，该方法包括如下步骤：构建一个石墨烯反射单元，该石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板，所述石墨烯贴片设置在石英介质板的上表面，且石墨烯贴片的长边与三维空间坐标轴x轴之间的旋转角度为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，其中，旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度；输入待构建的石墨烯超表面所需的石墨烯反射单元的数量以及所有墨烯反射单元的排列位置；计算待构建的石墨烯超表面各个位置处的相位分布来确定构成石墨烯超表面的每个石墨烯单元上石墨烯贴片的旋转角度θ，所述待构建的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：φ(x,y)＝φ0(x,y)-k0sinθ'(xcosγ+ysinγ)，其中θ＝φ(x,y)/2，式中，φ0(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k0为自由空间中的波数，φ(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ′为电磁波在二维方向上的投影与x轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角，γ为电磁波在三维方向上与z轴的夹角；按照待构建的石墨烯超表面的所有石墨烯单元的排列位置将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。

优选的，所述构建一个用于控制电磁波自旋方式的石墨烯反射单元的步骤包括如下具体步骤：确定石墨烯反射单元的三层组成结构；计算石墨烯贴片的电导率；利用pb相位法计算石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度；输入初始尺寸参数至hfss仿真软件中建立石墨烯反射单元的仿真模型；对石墨烯反射单元的仿真模型进行仿真分析得到仿真分析结果；利用仿真分析结果得出石墨烯反射单元的实际尺寸参数；按照石墨烯反射单元的实际尺寸参数以及石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度构建所述在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面。

优选的，所述石墨烯反射单元由三层结构组成的长方体结构，所述石墨烯贴片为矩形，所述石英介质板和金属地板均为一种上下表面均为正方形的长方体结构，所述石墨烯贴片设置在石英介质板的上表面，且石墨烯贴片的长边与三维空间坐标轴x轴之间的夹角为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合。

优选的，自由空间中的波数k0可以由下式计算：k0＝2π/(c/f)公式中，公式中，k0为自由空间中的波数，π＝3.14，光速c＝3e8，f为电磁波的频率。

优选的，所述石墨烯贴片在小于10thz的低太赫兹频段内的电导率，由带内电导率σintra决定，并由下式计算：

在公式(1)中，e为单位电荷，kb为波尔兹曼常数，是约化普朗克常数，t是室温，γ是石墨烯散射率，τ是弛豫时间，ω是角频率，μc为化学势，其中室温t为300k，化学势μc＝0.64ev，弛豫时间τ＝14.6ps，石墨烯散射率取γ＝1/(2τ)。

优选的，当石墨烯反射单元对两种线极化波的反射相位差180元时，石墨烯贴片旋转角度θ后实现2θ的反射相位，所述石墨烯反射单元按照pb相位法得到石墨烯贴片的旋转角度与反射波的反射相位关系通过下面公式得到：

当一个左旋圆极化波沿-z方向垂直入射石墨烯反射单元的上表面时，入射波ein和反射波ere表示为：

其中和分别是入射波对x分量和y分量的相位偏移；

当石墨烯贴片旋转θ度后，旋转后的坐标x’y’z’和原始坐标xyz之间的关系被表示为：

在和的条件下，公式(4)代入公式(3)中，反射波ere表示为：

由公式(5)得到左旋圆极化分量erlhcp和右旋圆极化分量errhcp：

在以上两式(6)和(7)中，当满足时，

errhcp＝0(9)

从两式(8)和(9)得出左旋圆极化分量erlhcp被保留，幅度不变而相位变为原来的2倍(e^-j2θ)。

优选的，所述石墨烯反射单元的仿真模型的初始尺寸参数通过计算机装置的输入单元输入如下参数：所述石墨烯贴片的长度为10um、宽度为2.9um，石英介质板的边长为13.5um、厚度25um，金属地板的边长13.5um、厚度0.5um。

优选的，所述输入初始尺寸参数至hfss仿真软件中建立石墨烯反射单元的仿真模型的步骤包括：

在hfss仿真软件中按照初始尺寸参数构建石墨烯反射单元的仿真模型；

在墨烯反射单元仿真模型的上部设置一个空气腔，用于模拟在真空环境下石墨烯反射单元的电磁响应；

建立石墨烯反射单元的两组主从边界条件并分别设置在空气腔的四个面上，用来模拟无限大的平面；

在空气腔的最上端设置一个周期单元激励端口作为激励源，用来产生垂直向下的入射波；

在石墨烯反射单元的仿真模型中设置“去嵌入”，表示入射波从石墨烯贴片的上表面开始入射。

优选的，所述利用仿真分析结果得出石墨烯反射单元的实际尺寸参数的步骤包括如下步骤：通过比较仿真分析结果与在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面的预期设计性能的差异，不断调整输入的石墨烯反射单元的初始尺寸参数，直到满足在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面的性能设计要求后，由计算机装置的输出单元输出石墨烯反射单元的实际尺寸参数。

优选的，所述在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面由51*51个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，该石墨烯超表面的表面大小为714um*714um。

相较于现有技术，本发明提出新参数结构的石墨烯反射单元，该石墨烯反射单元具有360°全范围的反射相位，利用该石墨烯反射单元构建的石墨烯超表面能够对应用在太赫兹频段电磁波，能实现三维方向上的自旋角动量和反射波的偏转方向进行控制，也能够实现对任意圆极化波实现同极化转换，与现有技术中相比使用通常金材料的超表面，具有结构简单，表面损耗小，成本适中等优点。

附图说明

图1是实现本发明在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法的计算机装置的方框示意图；

图2是本发明在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法的流程图；

图3为图2中步骤s21的细化子流程图；

图4是用于构建石墨烯超表面的石墨烯反射单元的结构示意图；

图5为石墨烯反射单元的角度旋转示意图；

图6为利用hfss仿真软件建立石墨烯反射单元的仿真模型示意图；

图7是石墨烯反射单元的反射相位和反射幅度的曲线示意图；

图8为本发明石墨烯超表面的结构示意图；

图9为本发明石墨烯超表面的石墨烯贴片旋转角度分布图；

图10为石墨烯超表面中的所有石墨烯反射单元分布的俯视图；

图11为石墨烯超表面的归一化辐射方向图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1所示，图1是实现本发明在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法的计算机装置的方框示意图。在本实施例中，所述在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法应用于计算机装置10中，该计算机装置10包括适于存储多条计算机程序指令的存储器101以及执行各种计算机程序指令的处理器102，该计算机装置10还包括输入单元103以及输出单元104。所述存储器101可以为一种只读存储器rom，电可擦写存储器eeprom、快闪存储器flash或固体硬盘等存储单元。所述的处理器102可以为一种中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、微控制器(mcu)、数据处理芯片、或者具有数据处理功能的信息处理器。所述输入单元103为计算机装置1的输入设备，例如输入键盘或鼠标等。所述输出单元104为计算机装置10的输出设备，例如显示器或者打印机等设备。

本发明提出一种反射型的石墨烯超表面2，它由一定数量的石墨烯反射单元1(参考图3)构成的。通过计算每个位置上的石墨烯反射单元1处所需的反射相位，并按照这种分布规律构建出的石墨烯超表面2，就能够对电磁波在二维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制。

如图2所示，图2是本发明在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法的流程图。在本实施例中，所述在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法的各种方法步骤通过计算机软件程序来实现，该计算机软件程序以计算机程序指令的形式存储于计算机可读存储介质(例如计算机装置10的存储器101)中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等，所述计算机程序指令能够被处理器(例如计算机装置10的处理器102)加载并执行如下步骤s21至步骤s24。

步骤s21，构建一种用于在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯反射单元1。本发明提出了一种石墨烯反射单元1，通过结合pancharatnam-berry(pb)相位方法，使每个单元满足对x极化波和y极化波的相位差为180的条件，当一个左旋或右旋圆极化波垂直激励设计的超表面时，该超表面能够使带有sam的波束能够向任意期望的方向偏转。参考图3所示，图3为图2中步骤s21的细化子流程图。在本实施例中，构建石墨烯反射单元的步骤s21具体包括如下步骤s211至步骤s217。

步骤s211，确定石墨烯反射单元的三层组成结构。参考图4所示，图4是本发明用于构建石墨烯超表面的石墨烯反射单元的结构示意图。在本实施例中，所述石墨烯反射单元1由三层结构组成的长方体结构，包括最上层的石墨烯贴片11、中间层的石英介质板12、以及底层的金属地板13。所述石墨烯贴片11设置在石英介质板12的上表面，且石墨烯贴片11的长边与三维空间坐标轴x轴之间的夹角为θ，金属地板13设置在石英介质板12的下表面。其中，θ为-90°～90°范围内任意角度。石墨烯贴片11的中心点与石英介质板12的中心点重合，石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的夹角θ(后续称谓旋转角度θ)都是围绕这个中心点进行旋转形成的。作为优选实施例，所述石墨烯反射单元1的实际尺寸参数如下：石墨烯贴片11为矩形，该石墨烯贴片11的长度a为13.39um、宽度b为3.2um；石英介质板12为一种上下表面均为正方形的长方体结构，该石英介质板12的边长s为14um、厚度h为26um；金属地板13为一种上下表面均为正方形的长方体结构，该金属地板13的边长s为14um、厚度为1um，金属地板13为金属铜。

步骤s212，计算石墨烯贴片11的电导率。由于石墨烯的不同电导率会直接影响反射相位，因此，在设计时需要考虑石墨烯贴片11的电导率。石墨烯的电导率由带内电导率σintra和带间电导率σinter来表征。当石墨烯在低太赫兹频段内(小于10thz)，可忽略带间电导率σinter的影响，其电导率主要由带内电导率σintra决定，并可以由下式计算：

这里e为单位电荷(1.6e-19(c))，kb为波尔兹曼常数(1.38e-23(j/k))，是约化普朗克常数，值为1.05e-34(j·s)，这里的约化普朗克常数是h/(2*3.14)＝1.05e-34j·s，t是室温，γ是石墨烯散射率，τ是弛豫时间，ω是角频率，μc为化学势。在设计中，选择室温t为300k，化学势μc＝0.64ev，弛豫时间τ＝14.6ps，石墨烯散射率取γ＝1/(2τ)。

步骤s213，利用pb相位法计算石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度，进而对带有sam的波束能够向任意期望的方向偏转。所述的石墨烯反射单元1具有一定范围的反射相位，但是要想实现对带有sam的波束能够向任意期望的方向偏转，就需要结合pancharatnam-berry(pb)相位法对石墨烯反射单元1的石墨烯贴片11按照一定规律进行旋转。pb相位法的优势在于，当石墨烯反射单元1对两种线极化波的反射相位差180线时，石墨烯贴片11旋转角度θ后，能够实现2θ的反射相位。石墨烯反射单元1按照pb相位方法旋转的角度与其反射波的反射相位关系能够通过下面的公式推导来说明。

当一个左旋圆极化(lhcp)波沿-z方向垂直入射石墨烯反射单元1的上表面时，入射波ein和反射波ere可以表示为：

这里和分别是入射波对x分量和y分量的相位偏移。

如图5所示，图5为石墨烯反射单元的角度旋转示意图。当石墨烯贴片11由图5中的(a)位置旋转θ度后得到图4中的(b)位置，旋转后的坐标x’y’z’和原始坐标xyz之间的关系能被表示为：

在和的条件下，公式(4)带入公式(3)中，反射波ere将会表示为：

由公式(5)，可以得到左旋圆极化(lhcp)分量erlhcp和右旋圆极化(rhcp)分量errhcp：

在以上两式(6)和(7)中，当满足时，

errhcp＝0(9)

从两式(8)和(9)中可以看出，左旋圆极化(lhcp)分量erlhcp被保留，幅度不变而相位变为原来的2倍(e^-j2θ)，因此就证明了若想实现2θ的反射相位，只需要旋转θ度就能实现所需的反射相位。

步骤s214，输入初始尺寸参数至hfss仿真软件中建立石墨烯反射单元1的仿真模型；本实施例可以在hfss仿真软件中建立石墨烯反射单元1的仿真模型，根据以上理论依据，通过计算机装置10的输入单元103输入用于建立石墨烯反射单元1的仿真模型的初始尺寸参数：石墨烯贴片11的长度为10um、宽度为2.9um，石英介质板的边长为13.5um、厚度25um，金属地板的边长13.5um、厚度0.5um。如图6所示，图6为利用hfss仿真软件建立石墨烯反射单元1的仿真模型示意图。在本实施例中，利用hfss仿真软件建立石墨烯反射单元的仿真模型的步骤包括：在hfss仿真软件中按照初始尺寸参数构建石墨烯反射单元1的仿真模型；在石墨烯反射单元的仿真模型的上部设置一个区域为空气，这个区域就叫做空气腔，用于模拟在真空环境下石墨烯反射单元1的电磁响应。在仿真设计中，建立两组主从边界(图6中的主边界1、主边界2，以及从边界1、从边界2)条件分别设置在空气腔的四个面上，用来模拟无限大的平面，在空气腔的最上端设置一个周期单元激励端口(floquet端口)作为激励源，用来产生垂直向下的入射波，在仿真模型中设置“去嵌入”，表示入射波从石墨烯贴片11的上表面开始入射。

步骤s215，对石墨烯反射单元的仿真模型进行电磁仿真分析得到仿真分析结果。如图7所示，图7是石墨烯反射单元的反射相位和反射幅度的曲线示意图。在本实施例中，利用上述石墨烯反射单元1的仿真模型在hfss仿真软件中进行电磁仿真，能够得到石墨烯反射单元1的电磁响应，即入射波的反射相位和反射幅度的仿真曲线，如图7所示，对于x极化波的反射相位曲线和对y极化波的反射相位曲线，在1.36～1.62thz频段内具有大约180具的相位差，满足pb相位单元旋转的必要条件。如图5中的矩形单元(矩形石墨烯贴片11)指的是pb相位单元，只要矩形单元满足对x极化和y极化两种波的相位差满足约180种，就能使用pb相位旋转方法来获得相位。同时，对于x极化波的反射幅度曲线和对y极化波的反射幅度曲线，在此频段内的幅度值较大(均大于-0.3db)，能够保证足够大反射波的幅度。

步骤s216，利用石墨烯反射单元的仿真模型的仿真分析结果输出石墨烯反射单元1的实际尺寸参数。在本实施例中，通过比较s215中的仿真分析结果与应用于太赫兹频段(1.36～1.62thz)的石墨烯反射单元的预期设计性能的差异，不断调整石墨烯反射单元1的输入尺寸参数，直到满足用于产生在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯反射单元1的预期设计性能要求后，才能被准确地确定石墨烯反射单元1的各项实际尺寸参数，并由计算机装置10的输出单元104输出，各项实际尺寸参数如下：石墨烯贴片11的长度a为13.39um、宽度b为3.2um；石英介质板12的边长s为14um、厚度h为26um；金属地板13的边长s为14um、厚度为1um。所述预期设计性能包括用于产生在三维方向上自旋角动量偏转的的石墨烯反射单元1的电磁响应性能，即入射波在入射在石墨烯反射单元1上的反射相位和反射幅度等指标性能。

步骤s217，按照石墨烯反射单元1的实际尺寸参数以及石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度构建出如图4所示的石墨烯反射单元1。在本实例中，所述石墨烯反射单元1的实际尺寸参数包括上述输出石墨烯贴片11、石英介质板12和金属地板13的各项实际尺寸参数。所述石墨烯反射单元1由三层结构组成的长方体结构，包括最上层的石墨烯贴片11、中间层的石英介质板12以及底层的金属地板13。所述石墨烯贴片11设置在石英介质板12的上表面且石墨烯贴片11的长边与三维坐标轴x轴之间的夹角为θ，所述金属地板13设置在石英介质板12的下表面，所述石墨烯贴片11的中心点与石英介质板12的中心点重合。

再参考图3所示，步骤s22，从输入单元103输入待构建的石墨烯超表面2所需的石墨烯反射单元1的数量以及所有墨烯反射单元1的排列位置；参考图8所示，图8为石墨烯超表面2的立体结构示意图。为了构建一个在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面2，本实例提供了一种由51*51个数量单位的石墨烯反射单元1排列组成的石墨烯超表面2，该石墨烯超表面2的表面大小为714um*714um，工作频率f＝1.5thz，当一个左旋圆极化波垂直入射到该石墨烯超表面2上时，该石墨烯超表面2就能够在二维方向上的投影与x轴的夹角位45°和在三维方向上与z轴的夹角45°的方向上反射出一个相同极化方式的电磁波。因此，本实例从输入单元103输入51*51个数量单位的石墨烯反射单元1排列构建石墨烯超表面2，每个石墨烯反射单元1的排列位置的横坐标位置和纵坐标位置用x和y表示。

步骤s23，计算待构建的石墨烯超表面2各个位置处的相位分布来确定构成石墨烯超表面2的每个石墨烯单元1上石墨烯贴片11的旋转角度θ。在构建完基本的石墨烯单元1后，通过计算待构建的石墨烯超表面2各个位置处的反射相位分布，来确定构成石墨烯超表面2上每个石墨烯单元1上石墨烯贴片11的旋转角度θ。具体的依据石墨烯超表面2所产生的电磁波的频率、电磁波在二维方向上的投影与x轴的夹角以及每一石墨烯反射单元1的位置坐标，确定每一石墨烯反射单元1的反射相位。

而待构建的石墨烯超表面2各个位置处的反射相位分布可以通过下式进行计算：

φ(x,y)＝φ0(x,y)-k0sinθ'(xcosγ+ysinγ)，其中θ＝φ(x,y)/2；(10)

在(10)式中φ(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k0为自由空间中的波数，φ0(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ’为电磁波在二维方向上的投影与x轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角，γ为电磁波在三维方向上与z轴的夹角。

其中，自由空间中的波数k0可以由下式计算：

k0＝2π/(c/f)(11)

公式中，公式中，k0为自由空间中的波数，π＝3.14，光速c＝3e8，f为电磁波的频率。

步骤s24，根据待构建的石墨烯超表面2的所有石墨烯单元1的排列位置将所有石墨烯单元1组合成石墨烯超表面2。在本实施例中，利用公式(10)求出石墨烯超表面2各个位置处的相位分布。

根据公式(10)，已经获得整个石墨烯超表面2各位置处的反射相位分布值，而对于每一个反射相位值，根据pb相位原理，只需要将这个位置处的组成石墨烯反射单元1的石墨烯贴片11旋转所对应的位置处的反射相位的一半角度，就能够实现所需的反射相位。如图9所示，图9为石墨烯超表面1的的石墨烯贴片旋转角度分布图，使用灰白强度图来表示各处所需的旋转角度。最后，将每个位置旋转不同角度的石墨烯贴片11构成的石墨烯反射单元1组合起来，就形成了能够产生在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面2，如图10所示，图10为石墨烯超表面2中的所有石墨烯反射单元1分布的俯视图。

为了验证该超表面能够实现对入射圆极化电磁波的同极化转换，对这个石墨烯超表面进行电磁仿真，设置一个左旋圆极化(lhcp)波作垂直入射作为输入源，入射到该超表面上，观察它的归一化辐射方向图。如图11所示，图11为石墨烯超表面的归一化辐射方向图。在三维方向上与z轴的夹角45度的观察位置上，石墨烯贴片旋转角度θ值为-90°-90°的范围内，反射波的lhcp分量在二维方向上的投影与x轴的夹角45的位置处有一个最大的峰值，说明在这个方向上产生了lhcp波，证明了设计的正确性。

本发明构建了一种新参数结构的石墨烯反射单元1，利用这种石墨烯反射单元1构建的石墨烯超表面2能够在期望的三维方向上产生指定自旋方式的电磁波，从而能够准确的对电磁波在三维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过相关程序指令完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。