[发明专利]一种高效无限通道行波-表面波天线及其实现方法

权利要求书

1.一种无限通道行波-表面波天线，其特征在于，所述无限通道行波-表面波天线包括：散射阵列、人工表面等离激元SSP双曲超表面和支撑结构；其中，散射阵列包括周期性一维排列的多根金属圆柱，每根金属圆柱的形状和大小相同，一维周期性排列的方向垂直于金属圆柱的中心轴，所有金属圆柱的中心轴位于同一个平面内，金属圆柱的半径为R，长度为L，相邻金属圆柱之间的距离为d；SSP双曲超表面包括周期性二维分布的M×N个双曲超表面单元，两个维度上的周期均为p，每个双曲超表面单元完全相同，由顶部的色散结构和底部的支撑底座构成，色散结构包括上长方体和下长方体，上长方体和下长方体的宽度相同，均为b_x，且沿宽度方向对齐，上长方体和下长方体的高度分别为h₁和h₂，上长方体和下长方体的长度分别为b_y和p，支撑底座为方柱，方柱的截面为边长为p的正方形，高度为t，t的大小只影响支撑强度，并不影响天线工作，下长方体与底座沿长度方向对齐，上长方体、下长方体和支撑底座的中心位于一条直线上；散射阵列所在的平面平行于SSP双曲超表面的周期性二维分布方向所在平面，散射阵列位于SSP双曲超表面的上方；散射阵列的底端所在的平面与SSP双曲超表面的顶端所在的平面之间的距离使得±1阶空间谐波最大效率的耦合到SSP双曲超表面；

入射波为TE极化的行波，TE极化为电场极化方向与散射阵列中金属圆柱周期性排列的方向相同，行波的波矢所在的平面垂直于散射阵列所在的平面且平行于金属圆柱的中心轴，以任意角度δ入射到散射阵列上的行波，入射行波的切向波矢为k_i，k_i＝k₀sinδe_x，切向波矢即为入射行波的波矢在散射阵列所在平面上的分量，其中e_x为波矢空间x方向的单位向量，k₀为入射行波的波矢；当入射的行波照射在散射阵列上时，根据佛洛魁定理，附加的佛洛魁波矢k_F会被引入到透过散射阵列的透射波中，散射阵列的透射波为消逝波，由无穷个具有特定阶数和幅度的空间谐波组成，附加的佛洛魁波矢k_F＝2nπ/d，其中n为空间谐波的阶数，为任意整数；通过调整散射阵列的金属圆柱的半径，使得透射波中±1阶空间谐波的透射强度最大，从而使散射阵列的透射波仅包含具有切向波矢k_t＝k₀sinδe_x±2π/de_y的消逝波，其中e_y为波矢空间y方向的单位向量；当SSP双曲超表面的等频色散曲线k_e在工作频率上满足双平行线形式k_e＝±2π/de_y时，根据波矢匹配原理，从散射阵列透射的消逝波能够高效地激发SSP双曲超表面上的人工表面等离激元；人工表面等离激元是表面波，能够沿着SSP双曲超表面内定向传输，传输方向垂直于金属圆柱的中心轴；从而通过入射的行波激发表面波沿着表面定向传输，实现任意角度的多通道且连续的行波-表面波天线。

2.如权利要求1所述的无限通道行波-表面波天线，其特征在于，所述散射阵列的底端所在的平面与SSP双曲超表面的顶端所在的平面之间的距离H满足0.16λ至0.2λ之间，其中λ为无限通道行波-表面波天线的工作波长。

3.如权利要求1所述的无限通道行波-表面波天线，其特征在于，所述散射阵列中金属圆柱的个数越多，长度越长，散射的效果越好，金属圆柱的最小个数为7。

4.如权利要求1所述的无限通道行波-表面波天线，其特征在于，所述SSP双曲超表面的长度在两个维度上的周期数分别为M和N，M和N越大，其耦合效果越好，最小维度为M×N＝20×20。

5.一种如权利要求1所述的无限通道行波-表面波天线的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)SSP双曲超表面参数确定；

a)由于SSP双曲超表面支持表面波的传输，其等频色散曲线k_e表达为k_e＝±mk₀e_y,其中波矢系数m1，首先要确定m的数值，考虑到表面波与空间行波的耦合效果与它们之间的波矢差呈负相关的关系，在实际应用中m越小越好，其取值范围为1.05～1.5；

b)进一步，为了确定双曲超表面单元的色散结构参数，要确定单元在y方向上的本征相位差其大小分布在0和π之间，取值范围在0.2π和0.6π之间，确定本征相差后，进一步确定双曲超表面单元的结构周期将和p带入到有限元计算中，最终确定双曲超表面单元的色散结构的参数；结构的参数包括上长方体和下长方体的宽度b_x，上长方体和下长方体的长度b_y和p以及上长方体和下长方体的高度h₁和h₂；

2)散射阵列参数确定：

当入射的行波照射在散射阵列上时，根据佛洛魁定理，附加的佛洛魁波矢k_F会被引入到透过散射阵列的透射波中，产生具有多个具有阶数和幅度的空间谐波，附加的佛洛魁波矢为k_F，k_F＝2nπ/d，空间谐波的切向波矢为k₀sinδ±2πn/d；

a)确定金属圆柱的半径R：

利用有限元法计算在正入射平面波的照射下，具有不同半径R的金属圆柱的散射波中±1阶空间谐波分量的功率比例为|a_±1|²/Σ|a_n|²，n为阶空间谐波的阶数，a_n为n阶空间谐波的幅度，a_±1为±1阶空间谐波的幅度；此外，进一步通过有限元方法计算金属圆柱的总的功率透射率|t|²随金属圆柱的半径R的变化，将±1阶空间谐波分量的功率比例|a_±1|²/Σ|a_n|²与金属圆柱的总的功率透射率|t|²相乘，得到±1阶空间谐波分量总的透射效率η，使得透射效率η最大，根据计算透射效率η最大结果，确定最终优化的金属圆柱的半径R；

b)确定相邻的金属圆柱之间的距离d：

考虑到等频色散曲线与相邻金属柱距离d之间存在关系k_e＝±mk₀e_y和k_e＝±2π/de_y，进一步得到相邻金属圆柱之间的距离d＝2π/mk₀，从而得到相邻的金属圆柱之间的距离d；

3)确定散射阵列的底端所在的平面与SSP双曲超表面的顶端所在的平面之间的距离H：通过有限元计算耦合效率与距离之间的关系，以耦合效率最大时的距离作为散射阵列的底端所在的平面与SSP双曲超表面的顶端所在的平面之间的距离H；

4)入射波为TE极化的行波，TE极化为电场极化方向与散射阵列中金属圆柱周期性排列的方向相同，入射行波的波矢所在的平面垂直于散射阵列所在的平面且平行于金属圆柱的中心轴，以任意角度δ入射到散射阵列上的行波，入射行波的切向波矢为k_i，k_i＝k₀sinδe_x，切向波矢即为入射的行波波矢在散射阵列所在平面上的分量，其中e_x为波矢空间x方向的单位向量，k₀为入射行波的波矢；

5)当入射的行波照射在散射阵列上时，根据佛洛魁定理，附加的佛洛魁波矢k_F会被引入到透过散射阵列的透射波中，散射阵列的透射波为消逝波，由无穷个具有特定阶数和幅度的空间谐波组成，附加的佛洛魁波矢k_F＝2nπ/d，其中n为空间谐波的阶数，为任意整数；通过调整散射阵列的金属圆柱的半径，使得透射波中±1阶空间谐波的透射强度最大，从而使散射阵列的透射波仅包含具有切向波矢k_t＝k₀sinδe_x±2π/de_y的消逝波，其中e_y为波矢空间y方向的单位向量；

6)当SSP双曲超表面的等频色散曲线k_e在工作频率上满足双平行线形式k_e＝±2π/de_y时，根据波矢匹配原理，从散射阵列透射的消逝波能够高效地激发SSP双曲超表面上的人工表面等离激元；人工表面等离激元是表面波，能够沿着SSP双曲超表面内定向传输，传输方向垂直于金属圆柱的中心轴；从而通过入射的行波激发表面波沿着表面定向传输，实现任意角度的多通道且连续的行波-表面波天线。