基于全相位范围调节的石墨烯超表面的制作方法

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。

技术实现要素：

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σintra由以下公式计算得出：

其中，j为虚部单位，e为单位电荷、kb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、μc为化学势。

优选的，t为300k、化学势μc＝0.64ev、弛豫时间τ＝14.6ps、石墨烯贴片的散射率为γ＝1/(2τ)。

优选的，所述介质板中相邻两个介质板区块之间没有缝隙，所述金属地板中相邻两个金属地板区块之间没有缝隙。

优选的，所述介质板和金属地板的长度l均为294微米，介质板和金属地板的宽度为294微米，所述介质板的厚度为26微米、介电常数为3.75，所述金属地板3的厚度为1微米。

优选的，所述介质板区块和金属地板区块的长度均为14微米，所述介质板区块和金属地板区块的宽度为14微米，所述介质板区块的厚度为26微米、介电常数为3.75，所述金属地板区块的厚度为1微米，所述石墨烯贴片的长度为13.39微米、宽度为3.2微米、厚度为1微米。

相较于现有技术，本发明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，由于使用的石墨烯反射单元能够获得0°～360°全相位范围内的值，因此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1-拓扑模式的轨道角动量(oam)的涡旋波的性能和控制精度，同时也能够实现全相位调制。

附图说明

图1是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面优选实施例的分层结构示意图。

图2是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面优选实施例的上表面的结构示意图。

图3是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面划分为多个石墨烯反射单元的优选实施例的上表面的结构示意图。

图4是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面划分为多个石墨烯反射单元的优选实施例的侧面示意图。

图5是本发明石墨烯反射单元的优选实施例的结构示意图。

图6是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面通过电磁仿真软件仿真时反射相位值分布图的结果示意图。

图7是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面通过电磁仿真软件仿真时反射波横截面上电场ex分量的相位分布图的结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释，本发明并不局限于以下实施例。

参考图1、图2、图3、图4及图5所示，图1是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面优选实施例的分层结构示意图。图2是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面优选实施例的上表面的结构示意图。图3是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面划分为多个石墨烯反射单元的优选实施例的上表面的结构示意图。图4是本发明基于全相位范围调节的石墨烯超表面划分为多个石墨烯反射单元的优选实施例的侧面示意图。图5是本发明石墨烯反射单元的优选实施例的结构示意图。

在本实施例中，所述基于全相位范围调节的石墨烯超表面100(以下简称超表面100)包括多个石墨烯贴片1、介质板2以及金属地板3。其中，所述石墨烯贴片1设置于所述介质板2的上表面，所述介质板2的下表面贴合于金属地板3的上表面。

所述金属地板3的材质可以为金属，例如：铜。所述介质板2和金属地板3均为矩形。作为本发明的优选实施例，所述介质板2和金属地板3的长度l1均为294微米，所述介质板2和金属地板3的宽度w1为294微米。所述介质板2为石英介质板，所述介质板2的厚度为26微米,介电常数为3.75。所述金属地板3的厚度为1微米。

如图3至4所示，所述超表面100划分为n*n个石墨烯反射单元10，其中，所述介质板2划分为n*n个介质板区块4，所述金属地板划分为n*n个金属地板区块5。每个石墨烯反射单元10的上表面设置一个石墨烯贴片1。在本实施例中，所述超表面100划分为21*21个(即441个)石墨烯反射单元10。

需要说明的是，图3及图4中的虚线仅用于标识出石墨烯反射单元10的示意图，实际生产的超表面100并不存在图3及图4中的虚线。n*n个介质板区块4及n*n个金属地板区块5仅为描述方便而标识出石墨烯超表面100上包含多个石墨烯反射单元10。也就是说，在介质板2中相邻两个介质板区块4之间并没有做任何切割处理，即在介质板2中相邻两个介质板区块4之间没有任何缝隙，在金属地板3中相邻两个金属地板区块5之间并没有做任何切割处理，即在金属地板3中相邻两个金属地板区块5之也没有缝隙，换句话说，所述介质板2及金属地板3均为完整的一块平面板。

进一步地，如图5所示，所述石墨烯反射单元10由三层结构组成，包括最上层的石墨烯贴片1(矩形石墨烯贴片)、中间层的介质板区块4，以及底层的金属地板区块5。所述介质板区块4是介质板2的一部分。所述金属地板区块5是金属地板3的一部分。所述介质板区块4和金属地板区块5均为正方形。作为本发明的优选实施例，所述介质板区块4和金属地板区块5的长度l2均为14微米，所述介质板区块4和金属地板区块5的宽度w2为14微米。所述石墨烯贴片1的长度为13.39微米、宽度为3.2微米、厚度为1微米。

所述石墨烯贴片1设置于所述介质板区块4的上表面。所述石墨烯贴片1的中心点的平面坐标(即石墨烯贴片1的中心点的平面坐标在三维坐标系中xy平面的取值)于所述介质板区块4的中心点的平面坐标(即介质板区块4的中心点的平面坐标在三维坐标系中xy平面的取值)重合，所述石墨烯贴片1的长边与三维空间坐标轴x轴(即石墨烯反射单元10上表面建立三维空间坐标系的x轴)的旋转角度为θ，其中，θ可以是0度至180度之间的任意值。需要说明的是，由于基于全相位范围调节的石墨烯超表面100上设置多个石墨烯贴片1，每个石墨烯贴片1上在介质板区块4上表面的旋转角度θ并不相同，因此，整个基于全相位范围调节的石墨烯超表面100上的石墨烯贴片1也不同。

由于所述石墨烯贴片1的不同会直接影响反射相位。所述石墨烯贴片1的电导率由带内电导率σintra和带间电导率σinter来表征。而当石墨烯贴片1在低于太赫兹频段内(小于10thz)工作时，可忽略带间电导率的影响，其电导率主要由带内电导率σintra决定，并可以由下式计算得出：

其中，j为虚部单位，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(1.05457266(63)×10^-34j·s)，t是温度(通常为室内温度)，γ是石墨烯贴片1的散射率，τ是弛豫时间，ω是角频率，μc为化学势。优选地，t为300k，化学势μc＝0.64ev，弛豫时间τ＝14.6ps(皮秒)，石墨烯贴片1的散射率取γ＝1/(2τ)。

上述石墨烯反射单元10具有一定范围的反射相位，但是要想实现360°的相位调控范围，就需要结合pb相位方法，即当石墨烯反射单元10对两种线极化波的反射相位差180°时，单元旋转角度θ后，能够实现2θ的反射相位。

当确定了石墨烯反射单元10后，需要确定超表面100上所有构成的石墨烯反射单元10上石墨烯贴片1的分布结构。其中，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，φ(x,y)/2为旋转角度θ，为每个位置处的方位角，l为拓扑模式的取值(其中l为自然数，若l＝1，则为1-拓扑模式)，x和y分别为横纵坐标位置。

需要说明的是，在已经确定整个超表面100各位置处的反射相位分布值时，对于每一个反射相位值2θ，根据pb(pancharatnam-berry，庞加莱-贝瑞相位)相位原理，将各个位置处的石墨烯贴片1设置为θ旋转角度，就能够实现所需的反射相位。最后将每个位置旋转不同旋转角度的单元组合起来，就形成了这种石墨烯超表面的设计，这里所设计出的超表面100俯视图如图2所示。

优选地，所述超表面100包括一个由441个(即21*21)石墨烯反射单元10单元的超表面100，工作频率f＝1.5thz，当一个左旋圆极化波垂直入射到该超表面100上时，能够在垂直方向上反射出一个相同极化方式的电磁波。

如图6所示，在采用公式(2)求出超表面100中石墨烯贴片1的相位分布后，使用强度图来表示各处所需的反射相位值，可以看到取值范围在-180°至180°以内，在一个旋转周期内，按逆时针方向经历了-180°至180°连续的相位变化，与涡旋波相位变化规律一致。

为了验证垂直反射的波是具有1-拓扑模式(即上述公式(2)中l为1的情形)的涡旋电磁波，在距离石墨烯超表面正上方5倍波长位置处设置一个1000um*1000um正方形观察平面，用来观察反射波的电场分量ex的相位分布。通过观察平面，如图7所示，可以看到相位呈一个沿逆时针旋转的涡旋状，而且相位一周经历-180°至180°的渐变，与之前理论上计算出1-拓扑模式下反射相位分布一致，证明了所提出的石墨烯超表面能够产生指定1-拓扑模式的轨道角动量(oam)的涡旋电磁波。

相较于现有技术，本发明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，由于使用的石墨烯反射单元能够获得0°～360°全相位范围内的值，因此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1-拓扑模式的轨道角动量(oam)的涡旋波的性能和控制精度，同时也能够实现全相位调制。

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流程变换，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。