一种具有圆极化双功能的反射式超表面单元的制作方法

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圆极化双功能的反射式超表面单元。

背景技术：

超材料是由三维复合结构以一定的方式重复排列而成，通过对复合结构的形状、尺寸以及排列方式等进行人工地设计，可赋予超材料特异的电磁特性。超表面是超材料的二维形式，其厚度远小于波长，故体积更小，损耗更低，更利于加工和集成。并且超表面同样具有奇异的电磁特性，对电磁波相位、幅值、极化方式可进行有效地调控。

圆极化波是一个等幅度的瞬时旋转场，按电磁波瞬时电场矢量的传播方向分为左旋圆极化和右旋圆极化。圆极化波抗干扰性好、在雨雪中传播衰减小，因此能实现通信信号的稳定传输和接收。

目前，多数的超表面单元通过设计不同的材料结构可实现相位的调制，但无法同时进行调控幅度。

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圆极化双功能的反射式超表面单元。在左旋极化电磁波入射下，通过控制四条金属折线的尺寸参数，在不同频段中，单元分别实现了对左旋圆极化出射的反射相位调制和右旋圆极化出射的反射幅度调控的双重功能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有圆极化双功能的反射式超表面单元，其特征在于：基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层、中间介质层和底层金属地；表层金属结构层包括依附于中间介质层上表面的第一金属折线，第二金属折线、第三金属折线和第四金属折线，每条金属折线的两侧折线段与中间折线段平行，相邻的金属折线正交放置。

进一步的，所述基本单元的周期边长p为9-11mm，所述第一金属折线两侧折线段的长度a均为2.7-2.9mm；第二金属折线两侧折线段的长度b均为2.45-2.65mm；第三金属折线两侧折线段的长度c均为1.5-1.7mm；第四金属折线两侧折线段的长度d均为1.4-1.6mm；第一金属折线，第二金属折线、第三金属折线和第四金属折线中间折线段的长度e均为2.9-3.1mm，两侧折线段与中间折线段相连的折线段的长度f变化范围均为0-2.5mm；第一金属折线，第二金属折线、第三金属折线和第四金属折线的每段折线段的宽度w均为0.2-0.4mm，两侧折线段与单元边框的间距g均为0.3-0.5mm；中间介质层的厚度h为2.9-3.1mm，介电常数为2.05-2.45，损耗角正切为损耗角正切为-0.002-0.004。

优选的，所述基本单元的周期边长p为10mm，所述第一金属折线两侧折线段的长度a均为2.8mm；第二金属折线两侧折线段的长度b均为2.55mm；第三金属折线两侧折线段的长度c均为1.6mm；第四金属折线两侧折线段的长度d均为1.5mm；第一金属折线，第二金属折线、第三金属折线和第四金属折线中间折线段的长度e均为3.0mm，两侧折线段与中间折线段相连的折线段的长度f变化范围均为0-2.4mm；第一金属折线，第二金属折线、第三金属折线和第四金属折线的每段折线段的宽度w均为0.3mm，两侧折线段与单元边框的间距g均为0.4mm；中间介质层的厚度h为3.0mm。

所述超表面基本单元共有10种基本状态，通过改变第一金属折线，第二金属折线、第三金属折线和第四金属折线的两侧折线段与中间折线段相连的折线段的长度f，在左旋圆极化入射波的照射下，基本单元在13.5ghz频点附近可进行左旋圆极化入射至左旋圆极化反射的相位调控，相位范围达到350°，同时在16.5ghz附近可进行左旋圆极化入射至右旋圆极化反射的幅度控制。

进一步的，10种基本单元的工作状态分别对应第一金属折线，第二金属折线、第三金属折线和第四金属折线的两侧折线段与中间折线段相连的折线段的长度f=0.0mm、f=0.4mm、f=0.6mm、f=0.8mm、f=1.0mm、f=1.2mm、f=1.5mm、f=1.6mm、f=1.9mm和f=2.4mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用特定的金属形状，在两个频率范围内，可分别实现出射左线圆极化波和右旋圆极化波。

2.本发明通过变化金属折线的尺寸参数，实现了较宽的反射相位响应范围，以及反射幅度的调控。

3.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截面结构示意图；

其中：1-表层金属结构，11-第一金属折线，12-第二金属折线，13-第三金属折线，14-第四金属折线，2-中间介质层，3-底层金属地；p为基本单元的周期边长，a为第一金属折线两侧折线段的长度，b为第二金属折线两侧折线段的长度，c为第三金属折线两侧折线段的长度，d为第四金属折线两侧折线段的长度，e为金属折线中间折线段的长度，f为金属折线两侧折线段与中间折线段相连的折线段的长度，w为金属折线的每段折线段的宽度，g为金属折线的两侧折线段与单元边框的间距，h为中间介质层的厚度；

图3是本发明中基本单元的仿真结果，其中：图3（a）和3（b）为左旋极化入射-左旋极化出射的反射相位和幅度响应；图3（c）和3（d）为左旋极化入射-右旋极化出射的反射相位和幅度响应。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示，一种具有圆极化双功能的反射式超表面单元，其特征在于：基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层1、中间介质层2和底层金属地3；表层金属结构层包括依附于中间介质层2上表面的第一金属折线11，第二金属折线12、第三金属折线13和第四金属折线14，每条金属折线的两侧折线段与中间折线段平行，相邻的金属折线正交放置。

所述基本单元的周期边长p为9-11mm，所述第一金属折线11两侧折线段的长度a均为2.7-2.9mm；第二金属折线12两侧折线段的长度b均为2.45-2.65mm；第三金属折线13两侧折线段的长度c均为1.5-1.7mm；第四金属折线14两侧折线段的长度d均为1.4-1.6mm；第一金属折线11，第二金属折线12、第三金属折线13和第四金属折线14中间折线段的长度e均为2.9-3.1mm，两侧折线段与中间折线段相连的折线段的长度f变化范围均为0-2.5mm；第一金属折线11，第二金属折线12、第三金属折线13和第四金属折线14的每段折线段的宽度w均为0.2-0.4mm，两侧折线段与单元边框的间距g均为0.3-0.5mm；中间介质层2的厚度h为2.9-3.1mm，介电常数为2.05-2.45，损耗角正切为损耗角正切为-0.002-0.004。

作为一个优选方案，所述基本单元的周期边长p为10mm，所述第一金属折线11两侧折线段的长度a均为2.8mm；第二金属折线12两侧折线段的长度b均为2.55mm；第三金属折线13两侧折线段的长度c均为1.6mm；第四金属折线14两侧折线段的长度d均为1.5mm；第一金属折线11，第二金属折线12、第三金属折线13和第四金属折线14中间折线段的长度e均为3.0mm，两侧折线段与中间折线段相连的折线段的长度f变化范围均为0-2.4mm；第一金属折线11，第二金属折线12、第三金属折线13和第四金属折线14的每段折线段的宽度w均为0.3mm，两侧折线段与单元边框的间距g均为0.4mm；中间介质层2的厚度h为3.0mm。

所述超表面基本单元共有10种基本状态，通过改变第一金属折线11，第二金属折线12、第三金属折线13和第四金属折线14的两侧折线段与中间折线段相连的折线段的长度f，在左旋圆极化入射波的照射下，基本单元在13.5ghz频点附近可进行左旋圆极化入射至左旋圆极化反射的相位调控，相位范围达到350°，同时在16.5ghz附近可进行左旋圆极化入射至右旋圆极化反射的幅度控制。

具体而言，10种基本单元的工作状态分别对应第一金属折线11，第二金属折线12、第三金属折线13和第四金属折线14的两侧折线段与中间折线段相连的折线段的长度f=0.0mm、f=0.4mm、f=0.6mm、f=0.8mm、f=1.0mm、f=1.2mm、f=1.5mm、f=1.6mm、f=1.9mm和f=2.4mm。

如图3所示，在左旋极化电磁波的照射下，单元在不同的频段内，可实现调控相位和调制幅度两种功能的切换。由图3（a）和3（b）可知，在13.5ghz频点处，单元能够调控左旋极化反射波的相位响应，可控制的相位范围覆盖350°，且反射幅度均大于0.9db，可进一步实现2比特的数字编码超表面。图3（c）和3（d）中，在频率为16.5ghz附近，单元能实现旋向相反的圆极化波出射，且右旋极化反射波的幅度可在0.73-0.061db范围内进行调制。

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。