一种高反射型双频编码超表面及其设计方法

本发明属于微波频段电磁波调控，具体涉及一种高反射型双频编码超表面及其设计方法。

背景技术：

1、微波频段是指频率在300mhz～300ghz之间的电磁波。具有易于集聚成束、高度定向性以及直线传播的特性，可用来在无阻挡的自由空间传输高频信号。超材料具有自然界传统材料所不具备的超常物理特性，能够对电磁波的振幅、相位和极化等性质进行调控，超表面可以看作是由亚波长超材料单元结构周期性或非周期性拓展组成的二维平面形式的超材料，具有厚度薄、低损耗、加工难度小等优势。

2、近年来，人们将频分复用的理念应用于超表面设计中。将两个或多个谐振结构集成在单个单元上，可以降低成本，节约空间。不过，目前的多频超表面设计中，仍普遍存在能量利用效率低，带宽窄，不同谐振结构的串扰较大等问题。

3、本发明通过改变c型环开口大小，实现相位的2π覆盖，通过旋转添加过圆心微带线的c型环和嵌套圆环的c型环来控制反射幅度。较之以往研究，该结构有着高反射率，双频，宽带和低剖面的特性，为数字编码超表面频分复用提供了一种可能。

技术实现思路

1、本发明的目的主要解决目前无线通信中大部分超表面工作频带单一、反射效率低以及不同谐振器串扰大的问题，提供一种高反射型双频编码超表面及其设计方法，其设计方法基于传播相位和几何相位。通过对基础c型环结构进行改进优化参数降低两者间的串扰，实现了同时在8.6～9.4ghz和16.3～17.2ghz两个频段对反射后的交叉线极化波进行幅度和相位调控。

2、为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

3、本发明提供了一种高反射型双频编码超表面，由若干个超表面编码单元组成，每个超表面编码单元包括第一c型环、第一层介质基板、第二c型环、第二层介质基板和金属地；

4、所述第一c型环添加过圆心的微带线，位于第一层介质基板上的中心位置；所述第二c型环内嵌圆环，位于第二层介质基板上的中心位置；所述金属地位于第二层介质基板下，所述第一层介质基板位于第二层介质基板上。

5、进一步，所述第一c型环的外径为2.5mm，内径为2.2mm，所述微带线的宽度为0.3mm。

6、进一步，所述第二c型环的内径为3.2mm，外径为5.2mm或4.8mm，所述圆环的外径2.5mm，内径2.2mm。

7、进一步，所述第一层介质基板和第二层介质基板的材质选择介电常数为2.2的聚四氟乙烯，损耗角正切为0.001，长为12mm，宽为12mm，高为2mm。

8、进一步，所述金属地的厚度为0.035mm，长为12mm，宽为12mm。

9、本发明还提供了一种高反射型双频编码超表面的设计方法，包括以下步骤：

10、步骤1，构建所述高反射型双频编码超表面；

11、步骤2，对x和y方向的线极化波垂直入射到超表面编码单元进行数值仿真，记录得到的反射波交叉极化分量的相位和幅度；

12、步骤3，利用传播相位原理，通过改变第一c型环和第二c型环的开口大小，得到对应的交叉极化反射相位使其覆盖2π，进而将其量化编码；

13、步骤4，基于几何相位，通过旋转第一c型环和第二c型环对反射波幅度进行调控；

14、步骤5，根据偏折角度要求，调整超表面编码单元的排布。

15、进一步，考虑谐振器串扰影响后，将8.6～9.4ghz和16.3～17.2ghz两个频段作为最终工作频段，所述步骤3中量化编码具体为：

16、通过改变第一c型环的开口大小来控制相位在16.3～17.2ghz的频段，设计“00”、“01”、“10”、“11”四种状态对应π/2、π、3π/2、2π，每种状态相位相差π/2度；

17、通过改变第二c型环的外径和开口大小来控制相位在8.6～9.4ghz的频段，设计“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”八种状态对应π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4、2π，每种状态相位相差π/4度，外径在编码“000”、“010”、“100”、“110”时为5.2mm，在编码“001”、“011”、“101”、“111”时为4.8mm。

18、进一步，所述步骤5中超表面编码单元的排布为：

19、9ghz处的3bit编码超表面单元结构的编码序列1：

20、000-001-010-011-100-101-110-111沿x方向周期性排布，沿y方向排列；

21、16.8ghz处的1bit编码超表面单元编码序列2：

22、00-10-00-10-00-10-00-10沿y方向周期性排布，沿x方向排列。

23、与现有技术相比本发明具有以下优点：

24、(1)通过对基础c型环结构进行改进优化参数降低两者间的串扰，实现了同时在8.6～9.4ghz和16.3～17.2ghz两个频段对反射后的交叉线极化波进行幅度和相位调控，相对带宽为8.8％和5.3％。本发明设计的超表面编码单元通过改变编码序列，相应的改变编码超表面的相位梯度，在同一个入射频率下，可以实现不同角度的偏折。

25、(2)相比于大部分超表面结构只能工作于单一频段，该单元可以同时工作在两个频段，因此可以降低成本，节约空间。

26、(3)本发明结构有着高反射率，双频，宽带和低剖面的特性，可应用于x波段和ku波段，应用范围广，具有较高的工程使用价值。

技术特征：

1.一种高反射型双频编码超表面，其特征在于，由若干个超表面编码单元组成，每个超表面编码单元包括第一c型环(1)、第一层介质基板(2)、第二c型环(3)、第二层介质基板(4)和金属地(5)；

2.根据权利要求1所述的一种高反射型双频编码超表面，其特征在于，所述第一c型环(1)的外径为2.5mm，内径为2.2mm，所述微带线(6)的宽度为0.3mm。

3.根据权利要求1所述的一种高反射型双频编码超表面，其特征在于，所述第二c型环(3)的内径为3.2mm，外径为5.2mm或4.8mm，所述圆环(7)的外径2.5mm，内径2.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种高反射型双频编码超表面，其特征在于，所述第一层介质基板(2)和第二层介质基板(4)的材质选择介电常数为2.2的聚四氟乙烯，损耗角正切为0.001，长为12mm，宽为12mm，高为2mm。

5.根据权利要求1所述的一种高反射型双频编码超表面，其特征在于，所述金属地(5)的厚度为0.035mm，长为12mm，宽为12mm。

6.一种高反射型双频编码超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种高反射型双频编码超表面的设计方法，其特征在于，所述步骤3中量化编码具体为：

8.根据权利要求7所述的一种高反射型双频编码超表面的设计方法，其特征在于，所述步骤5中超表面编码单元的排布为：

技术总结
本发明属于微波频段电磁波调控技术领域，具体涉及一种高反射型双频编码超表面及其设计方法。为解决目前无线通信中大部分超表面工作频带单一、反射效率低以及不同谐振器串扰大的问题，本发明基于传播相位和几何相位，通过对基础C型环结构进行改进优化参数降低两者间的串扰，实现了同时在8.6～9.4GHz和16.3～17.2GHz两个频段对反射后的交叉线极化波进行幅度和相位调控。

技术研发人员：张智悦,韩国瑞,任成龙,韩丽萍,袁浩,刘宇峰
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10