一种Ku波段宽带两比特透射超表面单元及其透射超表面

：本发明涉及一种工作在ku波段宽带两比特透射超表面单元及其透射超表面，属于电磁超表面。

背景技术

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背景技术：

1、超表面作为一种二维形式的超材料，由亚波长结构尺寸的单元在二维平面或曲面上进行周期或非周期性排列而成，可以实现对电磁波各种特性的调控。传统意义上，无源超表面的设计是用于实现特定入射波的奇异函数，其物理结构均为固定的拓扑几何结构，在实际应用场景中具有功能单一、性能不可调等局限性。而有源超表面是通过在无源超表面上引入一些可调节的材料(石墨烯等)、可改变的结构(如长度可调、可转动)或有源器件(如变容二极管、开关二极管等)，来实现对入射电磁波相位、极化、频率等固定特性的实时调控。

2、2014年提出的数字编码超表面的概念则将电磁表面引入的不连续的相位梯度进行离散化，利用二进制的编码序列来表征电磁表面，这一思路极大地简化了有源电磁表面的设计和优化流程。有源超表面进一步地演变为具有现场可编程功能和同时调控电磁波及数字信息的能力的可重构超表面。然而，目前大多数字编码超表面主要工作于反射模式，且面临工作频率较低，工作频段较窄等问题，这将极大地限制数字编码超表面在未来毫米波等高频段波束调控、透射阵天线、室外到室内无线通信等场景下的实际应用。

3、本发明涉及的两比特可重构透射超表面单元，可用于波束调控、可重构透镜和无线通信等不同方面，具有广泛的应用前景。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种工作在ku波段宽带两比特透射超表面单元及其透射超表面，超表面单元可以在ku波段宽频带内保证对入射波较高的透射率，同时对入射波的相位进行0°、90°、180°、270°的调控，通过将这一单元组成不同编码的阵列，可以实现众多的电磁调控功能。通过不同的编码形式，可用于波束调控、可重构透镜和无线通信等不同方面，具有广泛的应用前景。

2、本发明设计原理如下：

3、工作在ku波段的两比特可重构透射超表面，其单元为了实现2比特调控效果，透射单元接收层和发射层的主体由两个非对称有源偶极子组成。两个偶极子由两个共同的地面分开并通过金属过孔连接，实现沿相同方向的线性极化。接收层的偶极子两侧对称位置各放置一个pin二极管，通过交替打开和关闭接收层的二极管，可以使接收层有源偶极子上激发出相反方向的电流，产生180°的相位差。电流通过金属过孔传至发射层，通过调整发射层有源偶极子两侧二极管的位置使其不对称达到精确的90°移相。为了减轻pin二极管的影响并降低单元的插入损耗,在每个偶极子元件两侧各并联添加两个较短的偶极子作为无源寄生旁路。

4、本发明的技术解决方案如下：

5、一方面，本发明提供一种ku波段宽带两比特透射超表面单元，包括至少二层介质基板，其特点在于，在所述二层介质基板的上下表面分别印刻有超接收贴片和超发射贴片；所述超接收贴片至少包括叁个接收中央贴片，且相邻两个接收中央贴片之间加载有pin二极管，所述超发射贴片至少包括叁个发射中央贴片，且相邻两个发射中央贴片之间加载有pin二极管；任一个所述接收中央贴片与任一个所述发射中央贴片通过金属过孔连接，用以实现沿相同方向的线性极化；通过交替打开和关闭所述接收中央贴片间的pin二极管，使所述接收中央贴片作为有源偶极子激发出相反方向的电流，产生180°的相位差，电流通过金属过孔传至所述发射中央贴片，通过交替打开和关闭所述发射中央贴片间的pin二极管，使所述发射中央贴片作为非对称有源偶极子发出反向电流产生90度相位差，实现两比特调控。

6、进一步，在所述叁个接收中央贴片的两侧还设有接收无源寄生旁路贴片，在所述叁个发射中央贴片的两侧还设有发射无源寄生旁路贴片，用于加强在谐振点处的谐振深度，提升透射效率、增加工作带宽。

7、进一步，还包括位于二层介质基板之间的接地金属层。

8、进一步，所述二层介质基板的宽度和长度都约等于中心工作频率的自由空间半波长。

9、另一方面，本发明还提供一种ku波段宽带两比特透射超表面，其特点在于，由若干权利要求1-4任一所述的ku波段宽带两比特透射超表面单元组成不同编码阵列而成。

10、进一步，通过对入射波的相位进行0°、90°、180°、270°的调控，实现不同电磁调控功能。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

12、1、在ku波段13ghz到15ghz的宽频带内，正入射下单元的插入损耗均在2.5db内，相位误差在20％以内。

13、2、在13ghz到15ghz的宽频带内，45度以内的斜入射单元的插入损耗均在3db内,相位误差在30％以内。

14、3、本发明用较简单的馈电网络实现了对四个pin二极管的馈电，制作成本较低。

技术特征：

1.一种ku波段宽带两比特透射超表面单元，包括至少二层介质基板，其特征在于，在所述二层介质基板的上下表面分别印刻有超接收贴片和超发射贴片；所述超接收贴片至少包括叁个接收中央贴片，且相邻两个接收中央贴片之间加载有pin二极管，所述超发射贴片至少包括叁个发射中央贴片，且相邻两个发射中央贴片之间加载有pin二极管；任一个所述接收中央贴片与任一个所述发射中央贴片通过金属过孔连接，用以实现沿相同方向的线性极化；通过交替打开和关闭所述接收中央贴片间的pin二极管，使所述接收中央贴片作为有源偶极子激发出相反方向的电流，产生180°的相位差，电流通过金属过孔传至所述发射中央贴片，通过交替打开和关闭所述发射中央贴片间的pin二极管，使所述发射中央贴片作为非对称有源偶极子发出反向电流产生90度相位差，实现两比特调控。

2.根据权利要求1所述的ku波段宽带两比特透射超表面单元，其特征在于：在所述叁个接收中央贴片的两侧还设有接收无源寄生旁路贴片，在所述叁个发射中央贴片的两侧还设有发射无源寄生旁路贴片，用于加强在谐振点处的谐振深度，提升透射效率、增加工作带宽。

3.根据权利要求1或2所述的ku波段宽带两比特透射超表面单元，其特征在于：还包括位于二层介质基板之间的接地金属层。

4.根据权利要求1所述的ku波段宽带两比特透射超表面单元，其特征在于：所述二层介质基板的宽度和长度都约等于中心工作频率的自由空间半波长。

5.一种ku波段宽带两比特透射超表面，其特征在于，由若干权利要求1-4任一所述的ku波段宽带两比特透射超表面单元组成不同编码阵列而成。

6.根据权利要求5所述的ku波段宽带两比特透射超表面，其特征在于，通过对入射波的相位进行0°、90°、180°、270°的调控，实现不同电磁调控功能。

技术总结
一种Ku波段宽带两比特透射超表面单元，采用接收‑辐射型结构，相比传统的一比特透射超表面单元，在发射贴片处加载两个不对称的PIN二极管，使得发射端形成非对称偶极子，通过调整偶极子位置可以达到精确的90度移相同时保证较高的透射率。同时分别在接收端和发射端有源偶极子两侧加入无源寄生旁路，加大谐振深度从而提高透射率并拓展带宽。本发明设计的单元在13GHz到15GHz的宽频带内，正入射下插入损耗均小于2.5dB，且相位误差低于20％，并且在45度以下的斜入射均能保证性能稳定。所设计的两比特透射单元通过其更加优秀的相位量化能力，加载不同编码阵列后的透射超表面可以对电磁波的各项特性产生更加精确的调控效果。

技术研发人员：董红星,张琤,张亚强,葛家豪,张龙
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15