一种具有可编程的极化转换透射式基本单元及超表面的制作方法

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具有可编程的极化转换透射式电磁编码超材料。

背景技术：

超材料是一种三维的人工合成结构，与天然材料相比，其具有独特的电磁特性。而超表面是一种二维超材料，通过合理地设计材料的结构，其可以灵活地对电磁波进行调控。因此超材料在吸波、波前调控和计划转换等方面有相当大的应用潜力。以往的模拟超表面通常采用有效介质来描述其电磁特性，而近些年，提出了数字编码超表面，其通过将物理参数数字化从而实现对电磁波的高效调控。

极化在信号传输中承载着诸多的信息，因此它在电磁波特性中占据重要地位。在实际应用中，无论是从通信到成像，极化调控都是极为重要的。为了控制电磁波的极化方向，近期的研究提出了各种无源和有源的可重构极化转换器。其中，无源的转换器，采用非对称波导以实现极化转换；而有源的转换器，则通常采用pin二极管来实现不同极化状态的转换。

然而，以上提及的超表面，大多只能实现一种极化状态转换，不能灵活地调控极化方向，并且极化调控在数字编码超表面中很少被涉及。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有可编程的极化转换透射式基本单元及超表面，通过控制单刀双掷开关的工作状态，来实现对入射电磁波极化状态的调控。设计特定的数字编码阵列，并通过fpga控制每个编码单元的工作状态，从而能够灵活地调控传输电磁波的线极化方向。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有可编程的极化转换透射式基本单元，基本单元包括自上而下设置的顶层金属结构层、上层介质层、上层金属地、中间介质层、下层金属地、下层介质层和底层金属结构层；顶层金属结构包括贴附于上层介质层上表面的第一圆形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第一金属导线与第二金属导线均与第一圆形贴片边框相接，第一金属导线与第二金属导线之间嵌入了顶层单刀双掷开关；底层金属结构包括贴附于下层介质层下表面的第二圆形贴片、第三金属导线和第四金属导线，第三金属导线与第四金属导线均与第二圆形贴片边框相接，第三金属导线与第四金属导线之间嵌入了底层单刀双掷开关。

进一步的，所述基本单元的周期边长a为39-41mm，所述第一圆形贴片和第二圆形贴片的直径r为26.3-26.5mm；所述上层介质层和下层介质层的厚度h均为0.9-1.1mm，中间介质层的厚度h1为0.4-0.6mm，上层介质层、中间介质层和下层介质层的介电常数均为4.1-4.5，损耗角正切均为0.0005-0.0065，且均采用相同介质。

优选的，所述基本单元的周期边长a为40mm；所述第一圆形贴片和第二圆形贴片的直径r为26.4mm；所述上层介质层和下层介质层的厚度h均为1mm，中间介质层的厚度h1为0.5mm。

一种基本单元组成的超表面，所述超表面包括n×n个基本单元，n为非零正整数，n×n个基本单元采用方形矩阵排列。

进一步的，所述超表面的基本单元共有4种基本单元状态；通过可编程门阵列fpga控制基本单元中的顶层单刀双掷开关和底层单刀双掷开关的工作状态，每一个基本单元在正入射线极化电磁波的照射下独立地产生4种数字态响应，4种数字态响应对应4种极化转换状态，4种极化转换状态对应4种基本单元的顶层单刀双掷开关和底层单刀双掷开关的工作状态；通过基本单元不同的开关状态，实现不同极化入射波的同极化传输或交叉极化传输。

进一步的，4个数字态编码“00”、“01”、“10”和“11”，其分别表示正入射电磁波照射下的极化转换状态。

进一步的，所述4个数字态编码“00”、“01”、“10”和“11”对应4种数字态响应，其中“0”表示x极化，“1”表示y极化，所述4种数字态响应分别对应4种极化转换状态为x极化入射x极化出射、x极化入射y极化出射、y极化入射x极化出射和y极化入射y极化出射。

进一步的，4种基本单元的工作状态中，“00”对应顶层单刀双掷开关与第二金属导线导通，且底层单刀双掷开关与第四金属导线导通；“01”对应顶层单刀双掷开关与第二金属导线导通，且底层单刀双掷开关与第三金属导线导通；“10”对应顶层单刀双掷开关与第一金属导线导通，且底层单刀双掷开关与第四金属导线导通；“11”对应顶层单刀双掷开关与第一金属导线导通，且底层单刀双掷开关与第三金属导线导通。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明区别于传统的利用等效媒质参数对超材料进行分析与设计的方案，从数字编码的角度分析和设计超材料，极大的简化了设计过程；

2.本发明通过控制单刀双掷开关的工作状态进而控制超表面单元的传输状态，是的所设计的电磁超材料具有可编程的功能；

3.本发明采用嵌入了单刀双掷开关的基本单元，通过切换单刀双掷开关的工作状态，实现传输电磁波的极化调控；

4.本发明加工简单，便于实现，仅依靠简单的金属图样，在微波频段内易于制备加工。

附图说明

图1是本发明中基本单元的正面结构示意图；

图2是本发明中基本单元的反面结构示意图；

图3是本发明中基本单元的截面结构示意图；

其中：1-顶层金属结构，11-第一圆形贴片，12-第一金属导线，13-第二金属导线，2-顶层单刀双掷开关，3-上层介质层，4-上层金属接地，5-中间介质层，6-下层金属接地，7-下层介质层，8-底层单刀双掷开关，9-底层金属结构层，91-第二圆形贴片，92-第三金属导线，93-第四金属导线；a为基本单元的周期边长；r为圆形贴片直径；h为上层介质层和下层介质层厚度；h1位中间介质层厚度；

图4是本发明中基本单元原理图，其中：图4（a）是基本单元的侧视图以及单刀双掷开关的工作状态的示意图，图4（b）是基本单元的顶部视图，图4（c）是基本单元的底部视图；

图5是本发明中基本单元的性能结果，图5（a）、5（b）、5（c）和5（d）是4种数字态编码单元的传输幅度响应仿真结果；

图6是超表面的仿真设置以及数字编码图案，图6（a）是不同编码图案的超表面仿真配置，图6（b）是仅由“00”编码单元组成的编码图案a，图6（c）是只由“01”编码单元组成的编码图案b，图6（d）是仅由“10”编码单元组成的编码图案c，图6（e）是由单一“11”编码单元组成编码图案d；

图7是不同编码单元组合而产生的编码图案以及其仿真结果，图7（a）、7（b）、7（c）和7（d）依次为“00010001”、“10111011”、“00110011”和“00010001/10111011”编码图案，图7（e）、7（f）、7（g）和7（h）为该4种编码图案的s21参数仿真结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示，一种具有可编程的极化转换透射式超表面单元，所述基本单元包括自上而下设置的顶层金属结构层1、上层介质层3、上层金属地4、中间介质层5、下层金属地6、下层介质层7和底层金属结构层9；顶层金属结构1包括贴附于上层介质层上表面的第一圆形贴片11、第一金属导线12和第二金属导线13，第一金属导线12与第二金属13导线均与第一圆形贴片11边框相接，第一金属导线12与第二金属导线13之间嵌入了顶层单刀双掷开关2；底层金属结构9包括贴附于下层介质层7下表面的第二圆形贴片91、第三金属导线92和第四金属导线93，第三金属导线92与第四金属导线93均与第二圆形贴片91边框相接，第三金属导线92与第四金属导线93之间嵌入了底层单刀双掷开关8。

所述基本单元的周期边长a为39-41mm，所述第一圆形贴片11和第二圆形贴片91的直径r为26.3-26.5mm；所述上层介质层3和下层介质层7的厚度h均为0.9-1.1mm，中间介质层5的厚度h1为0.4-0.6mm，上层介质层3、中间介质层5和下层介质层7的介电常数均为4.1-4.5，损耗角正切均为0.0005-0.0065，且均采用相同介质。

作为一个优选方案，所述基本单元的周期边长a为40mm；所述第一圆形贴片11和第二圆形贴片91的直径r为26.4mm；所述上层介质层3和下层介质层7的厚度h均为1mm，中间介质层5的厚度h1为0.5mm。

一种基本单元组成的超表面，所述超表面包括n×n个基本单元，n为非零正整数，n×n个基本单元采用方形矩阵排列。

所述超表面的基本单元共有4种基本单元状态；通过可编程门阵列fpga控制基本单元中的顶层单刀双掷开关2和底层单刀双掷开关8的工作状态，每一个基本单元在正入射线极化电磁波的照射下独立地产生4种数字态响应，4种数字态响应对应4种极化转换状态，4种极化转换状态对应4种基本单元的顶层单刀双掷开关2和底层单刀双掷开关8的工作状态；通过基本单元不同的开关状态，实现不同极化入射波的同极化传输或交叉极化传输。4个数字态编码“00”、“01”、“10”和“11”，其分别表示正入射电磁波照射下的不同极化转换状态。

具体而言，所述4个数字态编码“00”、“01”、“10”和“11”对应4种数字态响应，其中“0”表示x极化，“1”表示y极化，所述4种数字态响应分别对应4种极化转换状态为x极化入射x极化出射、x极化入射y极化出射、y极化入射x极化出射和y极化入射y极化出射。

具体而言，4种基本单元的工作状态中，“00”对应顶层单刀双掷开关2与第二金属导线13导通，且底层单刀双掷开关8与第四金属导线93导通；“01”对应顶层单刀双掷开关2与第二金属导线13导通，且底层单刀双掷开关8与第三金属导线92导通；“10”对应顶层单刀双掷开关2与第一金属导线12导通，且底层单刀双掷开关8与第四金属导线93导通；“11”对应顶层单刀双掷开关2与第一金属导线12导通，且底层单刀双掷开关8与第三金属导线92导通。

在本发明中，将开关导通方向不同的四种超表面单元作为四种数字态编码“00”、“01”、“10”和“11”单元，不过设计特定的编码矩阵，从而实现对正入射电磁波的极化调控。

如图4所示，每个基本单元在顶层和底层金属结构中均嵌入了单刀双掷开关，并且通过金属探针相连，每个单刀双掷开关可以控制两种极化状态，因此每个单元具有四种极化转换状态。

如图5所示，“00”、“01”、“10”和“11”四种不同工作状态下的基本单元的同极化和交叉极化传输波的幅度响应，由此可知，四种编码单元分别实现了x-x、x-y、y-x和y-y四种极化转换，并且不同极化状态之间无明显干扰。

如图6所示，超表面由线极化正入射电磁波照射，图6（b）中，超表面的编码图案a由6×6个“00”编码单元组成，其只允许x极化波进行传输而不进行极化转换；由图6（c）和6（d）可知，全部由“01”编码单元组成的编码图案b和“10”编码单元组成的编码图案c分别实现了两个正交的极化方向的转换；图6（e）中，对于全部单元为“11”编码的图案d，仅y极化波能够被传输且不改变极化方向。

如图7所示，由不同编码单元组成的超表面，可同时实现多种极化转换，图7（e）中，对于编码图案e，其周期性序列为“00010001”，故其可进行x-x和y-x两种极化转换；类似地，由图7（f）和7（g）可知，“10111011”编码图案f和“00110011”编码图案g均具有相同数量的两种编码单元，故产生两种极化转换；图7（h）中，编码图案h的周期性序列为“00010001/10111011”，因此超表面能够实现四种极化转换状态，这与基本单元的仿真性能结果相吻合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。