一种基于交指电容结构的低损耗宽带1-bit相位可重构超表面单元

本发明涉及可重构电磁超材料的设计，具体涉及一种基于交指电容结构的低损耗宽带1-bit相位可重构超表面单元。

背景技术：

1、基于超表面振幅和相位的可重构调制功能，一些令人感兴趣的研究，如，极化调制、方向图调制、全息成像等可以被轻易地实现。对于极化调制而言，通过设计正交方向上的幅度和相位，使其与目标极化电磁波正交分量一致，即可实现极化模式的转化。对于方向图调制而言，则需要保证超表面幅度一致，相位遍历360°，在实际工程设计中，一般采用量化相位来近似模拟真实相位，从而达到预期的方向图调制，如，波束扫描、波束动态赋型、涡旋波束多模生成、以及主动rcs天线隐身等。全息成像则是同时对超表面的幅度和相位进行设计，通过傅里叶变换(gs算法等)将电磁波能量聚集到成像面对应位置，实现目标像的重构。因此，相位和幅度设计是谐振式超表面的设计基础，相位的准确度和线性度是保证目标调制特征量实现的基础，而幅度的最大化设计则是减少电磁波能量损耗，提升效率的关键。然而，在可重构电磁超表面的设计中，pin二极管的pn结电阻造成较高的能量损耗，使得可重构超表面的工作频率、相位和幅度高度耦合。为实现宽带范围内的低损耗可重构超表面设计，引入固定电容贴片与pin二极管并联加载，在40％的相对带宽内，1-bit可重构超表面的幅度损耗被控制在0.75db以内(j.tian，x.cao，j.gao，h.yang，l.jidi，and t.li，optical materials express，94104-4114(2019))。此外，一些研究以牺牲工作带宽为代价实现低耦合，在23.8％的相对带宽内，1-bit相位可重构超表面的最大振幅损耗为0.60db(n.zhang，k.chen，j.zhao，q.hu，k.tang，j.zhao，t.jiang，y.feng，.ieee transactionson antennas and propagation，1-1(2022))。在工作带宽内，设计的低损耗可重构超表面导通和截止状态下的反射振幅均超过0.96(振幅损耗小于0.35db)(zhou s g，zhao g，xuh，.s.g.zhou，g.zhao，h.xu，c.w.luo，j.q.sun，g.t.chen，y.c.jiao，.ieee antennas andwireless propagation letters，21(3)：566-70(2022))。因此对于可重构超表面来说，同时获得宽带特性和低耦合特性是亟需解决的挑战之一。

技术实现思路

1、针对相位可重构超表面的带宽窄、损耗高问题，本发明在分析可重构超表面等效电路和感应电流分布的基础上，探讨宽带范围内可重构超表面的能量损耗机理，并提出一种基于交指电容结构的低损耗宽带1-bit相位可重构超表面单元，以下简称为“1-bit单元”，以1-bit单元上表面的中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，垂直于纸面向外为x轴正方向，水平向右为y轴正方向，竖直向上为z轴正方向；可重构超表面自上而下共包括5层结构：顶层谐振结构、第二层微波介质基板、第三层金属地结构、第四层辅助介质基板，和第五层直流偏置电路层；金属通孔h1和h2贯穿五层结构，使顶层谐振结构和底层直流偏置电路相连；

2、顶层谐振结构包括金属辐射结构、与金属辐射结构共形的交指电容结构ics、加载在金属辐射结构上的pin二极管，以及隔离缝隙w；交指电容结构ics、加载在金属辐射结构上的pin二极管，以及隔离缝隙w构成超表面单元的可重构调制结构ipw；

3、金属辐射结构为矩形贴片，矩形贴片中心点坐标与坐标系原点(0，0，0)重合；

4、交指电容结构ics是在金属辐射结构的x＜0区域中心刻蚀的互相内插的金属交指条，交指电容结构ics的金属交指条延伸方向平行于y方向；交指电容结构ics整体关于x轴大致对称，交指电容结构ics最靠近x轴正方向的缝隙与隔离缝隙w互相连接；交指电容结构ics自隔离缝隙w起，沿x轴负方向按照交指电容常规形状迂回向上延伸，直至金属辐射结构上端；沿y方向缝隙段的长度大于沿x方向缝隙段的长度；

5、将金属辐射结构分割开的隔离缝隙w与x轴平行，缝隙中线表示w的位置，用y＝wy表示，wy取值与pin二极管中心处y位置坐标yp保持一致；隔离缝隙w包括三级台阶和长条缝隙两部分；在隔离缝隙w靠近交指电容结构ics处形成沿x轴正方向宽度逐渐递增的三级台阶，三级台阶关于x轴对称；长条缝隙上端与下级台阶下端无缝连接，沿x轴方向向下一致延伸到金属辐射结构下端，长条缝隙的宽度小于三级台阶中与其紧邻的最宽台阶的宽度；由此，交指电容结构ics与隔离缝隙w一起在金属辐射结构中形成一条贯通的缝隙；

6、交指电容结构ics与隔离缝隙w的连接点n1在三级台阶形状缝隙的最上级台阶内，大致位于三级台阶形状缝隙的最上级台阶靠近顶端的中点；以连接点n1作为交指电容结构ics的位置参数(xi，yi，0)；交指结构的尺寸参数包括指长il，指宽iw，和指间隙is；

7、依靠交指电容结构ics和隔离缝隙w形成的自上而下贯穿的缝隙，将金属辐射结构分割为两部分part1和part2；ics左右两侧的交指指条分别分布在part1和part2两部分，part1的主体结构位于y＜0区域，与其相连接的指条结构向y＞0区域延展；

8、pin二极管位于金属辐射结构的中心靠近x轴正半轴的位置；pin二极管和交指电容结构ics的y位置坐标相同，pin二极管更靠近x轴的正半轴；用二极管的中心坐标(xp，yp，0)表示pin二极管的位置；

9、第二层微波介质基板为矩形薄板，第二层微波介质基板上表面的中心与坐标原点在水平面上的投影重合，在第二层微波介质基板上表面印制顶层谐振结构，第二层微波介质基板的四条边与金属辐射结构的四条边分别平行且保持相同距离；在第二层微波介质基板上与金属通孔h1和h2相应的位置打孔，使金属通孔h1和h2从孔中通过；

10、第三层金属地结构为薄片金属板，贴附在第二层微波介质基板下方，其与第二层微波介质基板在水平面上的投影完全重合；在第三层金属地结构与金属通孔h1和h2相应的位置处设计隔离孔c1和c2，其半径大于金属通孔h1，保证金属通孔h1、h2和第三层金属地结构处于隔离状态；c1和c2的尺寸保持一致，c1和c2中心点位于(xh1，yh1，-hr)和(xh2，yh2，-hr)位置；

11、第四层辅助介质基板上表面的中心与坐标原点在水平面上的投影重合；第四层辅助介质基板与第三层金属地结构黏贴；第四层辅助介质基板与第二层微波介质基板、第三层金属地在水平面上的投影完全重合；在第四层微波介质基板上与金属通孔h1和h2相应的位置打孔，使金属通孔h1和h2从孔中通过；

12、第五层直流偏置电路层位于第四层辅助介质基板的下表面，直流偏置电路的起点和金属通孔相连，包括扇形枝节和直流线；两个扇形枝节的端点分别位于金属通孔的圆心，两个扇形背向打开，扇形角的角分线平行于y轴，直流线自金属通孔开始、沿x方向向x轴正方向延伸。

13、在本发明的一个实施例中，金属辐射结构的矩形贴片厚度为0.035±0.005mm，x方向整体尺寸a在6.20～8.90mm范围内；y方向整体尺寸b在6.00～9.20mm范围内。

14、在本发明的一个具体实施例中，金属辐射结构x方向整体尺寸a为8.00mm；y方向整体尺寸b为8.00mm。

15、在本发明的另一个实施例中，w的宽度0.10～0.80mm。

16、在本发明的另一个具体实施例中，w的宽度优选值为0.40mm。

17、在本发明的又一个实施例中，以连接点n1作为交指电容结构ics的位置参数(xi，yi，0)，xi的取值在0.20～1.00mm之间；yi的取值在-0.20～0.20mm之间；ics的结构参数指长il的取值在1.85～2.65mm之间；指宽iw的取值在0.10～0.20mm之间；指间隙is的取值在0.10～0.20mm之间。

18、在本发明的又一个具体实施例中，以连接点n1作为交指电容结构ics的位置参数xi的取值为0.60mm；yi的取值为0；ics的结构参数指长il的取值为2.20mm；指宽iw的取值为0.14mm；指间隙is的取值为0.12mm。

19、在本发明的还一个实施例中，pin二极管的型号为smp1340-040lf，二极管的中心坐标(xp，yp，0)表示pin二极管的位置，xp在0.20～0.40mm之间，yp在-0.20～0.20mm之间。

20、在本发明的还一个具体实施例中，pin二极管的位置xp为0.30mm，yp为0。

21、此外，在本发明的一个实施例中，part1部分的6条指条沿x轴正方向依次记为：p11、p12、p13、p14、p15、p16，p12～p16的长度为指长il，p11的长度为il的一半；part2的主体结构位于y＞0区域，与其相连接的指条结构向y＜0区域延展，part2部分的6条指条沿x轴正方向依次记为：p21、p22、p23、p24、p25、p26，p22～p26的长度为指长i1，p27的长度为i1的一半；相对于p1i、p2i向x方向移动iw+is距离，i为1～6。

22、本发明的优点在于：

23、1.提供一种在宽带范围内有效降低可重构超表面振幅损耗的方法，即通过设计易于与可重构超表面共形的交指电容结构与pin二极管并联加载，交指参数变化可引入额外谐振点，拓展带宽，交指电容结构可进一步降低pin二极管的振幅损耗；

24、2.提供一种可借鉴的宽带可重构超表面损耗机理分析方法，以此为基础，可快速设计额外电容通路，实现低损耗宽带可重构超表面，提高设计效率，缩短设计周期；

25、3.本发明提出的低损耗宽带相位可重构超表面成本低、易实现、易共形，为降低可重构超表面电磁特征耦合、减弱可重构超表面电磁能量损耗、拓宽电磁超表面应用范围提供了广阔前景。