三频段全空间圆极化幅相同调超表面集成器及设计方法

本发明涉及超表面电磁调控，特别涉及三频段全空间圆极化幅相同调超表面集成器及设计方法。

背景技术：

1、近年来超表面的研究发展如火如荼，随着对超表面认识的不断加深，超表面也呈现出多功能、数字化、可重构、智能化等等趋势，涌现出包括涡旋波束/贝塞尔波束发生器、极化转换器、波束分离器、反射/透射阵列天线等。但是上述超表面器件中主要关注了超表面的相位调控，而忽视了幅度调控。通过幅度和相位联合调制，可以使超表面呈现出很多新奇的功能，例如多波束生成器、低副瓣天线、高质量全息图生成等等。早期有关超表面幅相联合调控的研究主要集中在线极化领域，而圆极化的幅相调控主要包括双几何相位、传输与几何相位混合调制、加载阻抗单元三种方式。然而目前所报道的基于超表面的幅相同调大多局限于单个频段和反射模式下，实现全空间多频段幅相同调的研究还鲜有报道。尤其是全空间超表面在多频段幅相同调方面的调控研究尚处于初级研究阶段。

技术实现思路

1、本发明基于反射幅相同调和双频段透射幅相同调超表面公布了一种透射-反射-透射的三频段全空间超表面集成器件及其设计方法。该超表面集成器件能够单独对线极化和圆极化下的电磁波进行电磁调控，具有易加工，剖面小，可重构和效率高等优势。

2、具体的，本发明提供一种三频段全空间圆极化幅相同调超表面集成器，所述三频段全空间圆极化幅相同调超表面集成器由m*m个具有相同尺寸的超表面单元在平面内等间距周期延拓排列组成；

3、所述超表面单元由上至下依次包括第一金属层、第一介质板、第二金属层、空气层、第三金属层、第二介质板和第四金属层，所述超表面单元周期为p；

4、所述第一金属层和第二金属层设置在第一介质板上下表面，第三金属层和第四金属层设置在第二介质板上下表面，第二金属层和第三金属层之间为空气层；

5、所述第一金属层是x形金属结构，所述x形金属结构由2条交叉的金属结构条带构成，金属结构条带长度为l，宽度为w，2条金属结构条带旋转角之差为α2；x形金属结构与x轴旋转角为β2；

6、第二金属层是开设在与超表面单元相同尺寸的金属层上双同心圆环金属缝隙结构，所述双同心圆环金属缝隙结构为金属层上开设有2个同心的金属缝隙内环和金属缝隙外环，金属缝隙内环的内径和外径为r4和r3，金属缝隙外环的内径和外径为r2和r1；

7、第三金属层和第四金属层采用相同结构，均包括子结构一和子结构二；所述子结构一外边缘与超表面单元尺寸相同，內边缘是半径为r7圆，子结构一上开设有外环双c型槽谐振器；

8、双c型槽谐振器包括外环c型槽谐振器和内环c型槽谐振器；外环c型槽谐振器为两个同心圆弧，外径和内径均为r11和r10，且弧度相同的c型圆弧组成；内环c型槽谐振器为两个同心圆弧，外径和内径均为r9和r8，且弧度相同的c型圆弧组成；外环c型槽谐振器和内环c型槽谐振器的缝隙之间呈90度夹角；第三金属层和第四金属的双c型槽谐振器的旋转角度分别为θ1和θ3；

9、所述子结构二采用内环双c型开口金属谐振环，双c型开口金属谐振环为两个同心圆弧，外径和内径均为r6和r5，且弧度相同的c型圆弧组成，2个c型圆弧之间缝隙宽为g，2个c型圆弧内侧设有t型枝节，与圆弧相连的水平枝节长度为l2，与其垂直的竖直枝节长度为l1；第三金属层和第四金属的双c型开口金属谐振环的旋转角度分别为θ2和θ4。

10、更近一步地，所述x形金属结构通过控制交叉金属结构条带的旋转角之差α2控制幅度，在[60°，90°]范围内，反射幅度从1逐步减小为0，且相位基本保持不变；

11、所述x形金属结构的反射幅度和相位能够独立调控，通过改变x轴旋转角β2，可得到2β2的反射相位变化；。

12、更近一步地，所述双c型槽谐振器通过控制旋转角之差α1控制幅度，α1＝θ3-θ1在[0°，60°]范围内，反射幅度从0.9逐步减小为0，且相位基本保持不变；

13、所述双c型槽谐振器通过改变整体旋转角β1，β1＝(ω3+θ1)/2，得到2β1的反射相位变化，且幅度基本保持不变。

14、更近一步地，所述双c型开口谐振环通过控制上下层旋转角之差α3控制幅度，α3＝ω4-θ2在[0°，60°]范围内，反射幅度从0.83逐步减小为0，且相位基本保持不变；

15、所述双c型开口谐振环通过改变整体旋转角β3，β3＝(θ4+θ2)/2，得到2β3的反射相位变化，且幅度基本保持不变。

16、更近一步地，所述超表面单元优化的结构参数具体如下：

17、所述超表面单元周期p＝11mm，第一层介质板厚度h1＝3mm，第二层介质板厚度h2＝8mm，空气层厚度h3＝2.5mm；

18、第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层材质为金属铜，厚度为0.036mm；

19、金属结构条带长度l＝6mm，宽度w＝0.3mm；

20、金属缝隙内环的内径r4＝2.28mm，金属缝隙内环的外径r3＝3.08mm，金属缝隙外环的内径r2＝4.7mm，金属缝隙外环的外径r1＝12mm；

21、外环c型槽谐振器外径r11＝5.4mm，外环c型槽谐振器内径r10＝5.2mm，内环c型槽谐振器外径r9＝5mm，内环c型槽谐振器内径r8＝4.8mm，双c型槽谐振器內边缘是半径r7＝4.1mm；

22、双c型开口金属谐振环外径r6＝2.2mm，双c型开口金属谐振环内径r5＝2.5mm，水平枝节长度l2＝1mm，竖直枝节长度l1＝1.6mm，c型圆弧之间缝隙宽g＝1.1mm。

23、还提供了一种三频段全空间圆极化幅相同调超表面集成器的设计方法，所述三频段全空间圆极化幅相同调超表面集成器设计方法包括以下步骤：

24、步骤1，使用双频带通频率选择表面结构代替金属背板，构建透反射隔离模式；所述双频带通频率选择表面结构为双同心圆环金属缝隙结构，设置在第一介质板下表面，其在fm＝10.2ghz处全反射，在fl＝7ghz和fh＝15.7ghz处呈现高透射；

25、步骤2，将x形金属结构引入超表面，构建中频fm处的高效反射模式和幅度、相位调控；所述x形金属结构设置在第一介质板上表面，通过参数扫描使单元的共极化反射频带与双频带通频率选择表面结构的反射频段重合；

26、步骤3，将双c型金属槽和开口谐振环引入超表面，构建低频fl＝7ghz和高频fh＝15.7ghz处的双频段高效透射模式和幅度、相位调控；所述双c型金属槽和开口谐振环分别设置在第二介质板上下表面，通过参数扫描使单元的两个交叉极化透射频带与双频带通频率选择表面结构的两个透射频段重合；

27、步骤4，合成最终具有透、反射一体的四层结构，并评估透射和反射频段之间的隔离度；通过级联组成最终兼具透、反射模式的四层单元结构，使得最终超表面可在三个频段实现对透射波和反射波的幅度和相位联合调制；

28、步骤5，根据计算的三种幅度和相位分布，确定超表面的拓扑结构，实现三功能集成超表面器件。

29、更近一步地，其特征在于，所述x形金属结构通过控制交叉金属结构条带的旋转角之差α2控制幅度，在[60°，90°]范围内，反射幅度从1逐步减小为0，且相位基本保持不变；

30、所述x形金属结构的反射幅度和相位能够独立调控，通过改变x轴旋转角β2，可得到2β2的反射相位变化。

31、更近一步地，所述双c型槽谐振器通过控制旋转角之差α1控制幅度，α1＝θ3-θ1在[0°，60°]范围内，反射幅度从0.9逐步减小为0，且相位基本保持不变；

32、所述双c型槽谐振器通过改变整体旋转角β1，β1＝(θ3+θ1)/2，得到2β1的反射相位变化，且幅度基本保持不变。

33、更近一步地，所述双c型开口谐振环通过控制上下层旋转角之差α3控制幅度，α3＝ω4-θ2在[0°，60°]范围内，反射幅度从0.83逐步减小为0，且相位基本保持不变；

34、所述双c型开口谐振环通过改变整体旋转角β3，β3＝(θ4+θ2)/2，得到2β3的反射相位变化，且幅度基本保持不变。

35、本发明达到的有益效果是：

36、本发明所设计的三频段多功能超表面集成化程度较高，通过复振幅叠加调制可以在任意方向产生多个任意模态的涡旋波束，在通信系统的区域覆盖补盲、混合波束赋形，以及降低信道衰落并提高信道质量方面具有重要意义。

37、本发明在多频段功能集成上具有设计步骤少的优势，由于频率选择表面和空气层的作用，其反射与透射之间的隔离较好，并且相较于以往的频率复用型超表面性能更加优秀，提高了多频超表面的功能上限，并且通过幅相同调实现了仅相位或仅幅度调制超表面不能实现的功能。