基于极化复用和频率复用的多通道聚焦超表面单元以及超表面透镜

本发明属于超表面，涉及一种基于极化复用和频率复用的多通道聚焦超表面单元以及超表面透镜。

背景技术：

1、超表面是超材料平面化的结果，它提供了一种更好的方式来控制电磁波。超表面对电磁波具有强大的调控能力，可以在亚波长尺度内有效灵活地调控电磁波的极化、振幅和相位等传播特性。目前，超表面在滤波、异常折射、平面透镜、雷达隐身等众多领域得到了广泛的应用。特别是在2014年t.j.cui教授提出数字超表面这一概念后，超表面及其相关器件的设计与制造更加简便高效。在数字超表面的设计中，单元结构产生的不同离散相位被定义为不同的数字比特位，不同的数字比特序列即代表了超表面的不同相位分布，从而能够实现不同的功能。数字超表面的提出极大简化了超表面的设计过程，促进了超表面技术的进一步发展。

2、电磁波聚焦是指将电磁波能量汇聚到接收区，在无线电力传输、光学成像、mimo系统、生物医学等领域有着广泛的应用。在微波频段，如果采用介质透镜作为聚焦器件，会存在体积大、损耗大、制造困难功能单一等缺点。除介质透镜外，阵列天线还通过改变自身的排列方式及其前端加载的相移网络来实现近场聚焦的效果。但该方法阵列天线控制网络复杂，难以实现各焦点的能量分配。而超表面在操纵电磁波特性上拥有着独特的优势，通过设计亚波长尺寸的单元结构实现对输入电磁波的幅度、相位、极化方向等特性调制，同时还具备体积小，加工简单的特点，是实现微波聚焦的优秀载体。然而，传统聚焦超表面功能单一，虽然可以引入额外的结构设计双极化模式独立调控的聚焦超表面，实现双通道聚焦的功能。但受限于仅能独立调控两个相互正交的极化方向，目前大多数研究的双极化聚焦超表面的通道数量难以进一步拓展。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于极化复用和频率复用的多通道聚焦超表面单元以及超表面透镜，通过集成更多的聚焦通道，实现在单一超表面上实现更多的聚焦效果。

2、为达到上述目的，本发明一方面提供一种基于极化复用和频率复用的多通道聚焦超表面单元，该超表面单元包括四层金属层和三层介质基板，金属层之间通过介质基板连接。

3、其中，金属层具有相同的结构，包括第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片和第五金属片，第一金属片设置在金属层的中心位置，第二金属片、第三金属片、第四金属片和第五金属片分别设置在金属层的边角位置。第一金属片为十字形金属片，该十字形金属片的两分支的连接处为圆弧；第二～第五金属片均为半十字形金属片，且半十字形金属片的开口朝向金属层的中心。

4、进一步的，所有的金属片均为电偶极子。

5、进一步的，介质基板材质为f4b。

6、进一步的，通过对金属片参数进行编码以调控金属片的物理尺寸，该超表面单元能够对两个工作频率和极化方向的入射电磁波的透射幅度和相位响应进行独立调控，实现四通道的聚焦功能。

7、具体地，对十字形金属片两分支的长度进行独立或同时调控，能够对15ghz工作频率下的x和y极化入射电磁波进行调控，实现透射幅度大于0.8，透射相位在0°～360°间的连续变化。对所有半十字形金属片两分支的长度进行独立或同时调控，能够对23ghz工作频率下的x和y极化入射电磁波进行调控，实现透射幅度大于0.8，透射相位在0°～180°间的连续变化。

8、本发明另一方面提供一种基于极化复用和频率复用的多通道聚焦超表面透镜，该聚焦超表面透镜由前述的多通道聚焦超表面单元排列构成。该多通道聚焦超表面透镜具有极化复用特性和频率复用特性，通过改变频率和极化相应的金属贴片的物理尺寸实现对电磁响应的独立调控，具有x极化和y极化独立选择和转换能力，在15ghz和23ghz的x方向和y方向能够独立调控入射电磁波的透射幅度和相位响应，实现了四通道的聚焦功能，提高了单元对电磁波的调控能力，实现电磁调控。

9、本发明的有益效果在于：

10、(1)本发明相对于一般的双极化聚焦超表面具有更多的聚焦通道，可以在单一超表面上实现更多的聚焦效果。

11、(2)本发明具有极化复用特性和频率复用特性，通过改变频率和极化相应的物理参数实现独立调节，在15ghz和23ghz的x方向和y方向能够独立调控入射电磁波的透射幅度和相位响应，实现四个不同的聚焦功能；通过对两个结构x方向和y方向尺寸的独立变化，提高单元对电磁波的调控能力，拓展了超表面的聚焦通道，实现更加高效的电磁波聚焦功能。

12、(3)本发明提出的基于极化复用和频率复用的四通道聚焦超表面透镜的物理结构只有电偶极子，没有单独构建磁偶极子，使单元结构更加紧凑，并且超表面单元没有通孔，可以用传统的pcb价格技术制作。

13、(4)本发明选用厚度为1.5mm的f4b材料作为介质基板，其成本较低，在保持低损耗高性能的同时还具有小型化、集成化的特点。

14、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于极化复用和频率复用的多通道聚焦超表面单元，其特征在于：该超表面单元包括四层金属层和三层介质基板，所述金属层之间通过所述介质基板连接；所述金属层具有相同的结构，包括第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片和第五金属片，所述第一金属片设置在金属层的中心位置，第二金属片、第三金属片、第四金属片和第五金属片分别设置在金属层的边角位置；所述第一金属片为十字形金属片，该十字形金属片的两分支的连接处为圆弧；第二～第五金属片均为半十字形金属片，且半十字形金属片的开口朝向金属层的中心。

2.根据权利要求1所述的多通道聚焦超表面单元，其特征在于：通过对金属片参数进行编码以调控金属片的物理尺寸，该超表面单元能够对两个工作频率和极化方向的入射电磁波的透射幅度和相位响应进行独立调控，实现四通道的聚焦功能。

3.根据权利要求2所述的多通道聚焦超表面单元，其特征在于：对十字形金属片两分支的长度进行独立或同时调控，能够对15ghz工作频率下的x和y极化入射电磁波进行调控，实现透射幅度大于0.8，透射相位在0°～360°间的连续变化。

4.根据权利要求2所述的多通道聚焦超表面单元，其特征在于：对所有半十字形金属片两分支的长度进行独立或同时调控，能够对23ghz工作频率下的x和y极化入射电磁波进行调控，实现透射幅度大于0.8，透射相位在0°～180°间的连续变化。

5.一种基于极化复用和频率复用的多通道聚焦超表面透镜，其特征在于：该聚焦超表面透镜由权利要求1～4中任一项所述的多通道聚焦超表面单元排列构成。

技术总结
本发明涉及一种基于极化复用和频率复用的多通道聚焦超表面单元以及超表面透镜，属于超表面技术领域。超表面单元包括四层金属层和三层介质基板，金属层之间通过介质基板连接。其中，金属层具有相同的结构，包括第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片和第五金属片，第一金属片设置在金属层的中心位置，第二金属片、第三金属片、第四金属片和第五金属片分别设置在金属层的边角位置。第一金属片为十字形金属片，该十字形金属片的两分支的连接处为圆弧；第二～第五金属片均为半十字形金属片，且半十字形金属片的开口朝向金属层的中心。本发明具有极化复用特性和频率复用特性，可以在单一超表面上实现更多的聚焦效果。

技术研发人员：郝宏刚,蔡仲旅,唐攀,何金凤,章婷,尹聃
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17