[发明专利]不对称电磁波传播的多功能手征超构表面

说明书

提出一种不对称电磁波传播的多功能手征超构表面，其单元由三层介质板和四层金属贴片组成，第一层金属贴片由七段宽度相同、长度不同的长条形金属贴片组成，第二层金属贴片为长条形金属贴片，第三层金属贴片与第一层金属贴片呈手征特性，第四层金属贴片由两个L型和两个Z型金属贴片组合而成。之后由上述单元组成一个28×28的周期阵列。手征超构表面可以在4.71GHz～5.83GHz的频段内将朝+z轴方向入射的x极化波透射出右旋圆极化波，同时在相同的频段内可以将朝‑z轴方向入射的左旋圆极化波反射为左旋圆极化波，相对带宽达到21.25％，透射总能量最高可达77.5％；该手征超构表面具有较宽的工作带宽，在无线射频系统上具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及透射超构表面设计技术，具体涉及不对称电磁波传播的多功能手征超构表面。

背景技术

超构表面是超材料的二维表现形式，是由单元按照周期或非周期的方式进行排列，在微波频段、太赫兹频段以及光学频段可以有效地控制电磁波的波前，具有多功能、剖面低、易加工等特点，在通信、雷达等领域具有很好的前景。基于超构表面设计的不对称传输系统能提高电磁空间的利用率并且可以减小整体系统的体积，具有良好的工艺性。2014年Grbic教授对二维双向各向异性超构表面提出分析方法，导出了S参数与组成表面参数之间的表达式，并详细介绍了其设计步骤，(Carl Pfeiffer and Anthony Grbic，PhysicalReview Applied.vol.2，no.4，pp.044011，2014)，共设计出四款功能不同的非对称器件，并且这四款器件可以分别在微波、毫米波和光波频率下工作，可以看出提出的方法应用的范围很广，具有一般性。随着非对称功能器件的快速发展，学者们提出利用石墨烯来设计手征超构表面，(Zhancheng Li，Wenwei Liu，Hua Cheng，Shuqi Chen and Jianguo Tian，Optics Letters.vol.41，no.13，pp.3142-3145，2016)，该石墨烯超构表面的物理机制是基于对光波敏感的手性等离激元的激励，从而产生圆极化的不对称传输的功能，并且不对称透射峰对石墨烯的费米能量很敏感，所以也可以实现动态可调的功能。此外崔铁军院士团队在微波频段下利用PIN二极管可以实现多频段可调控的不对称传输系统(Chenxi Huang，Jingjing Zhang，Lin Wu，Cheng Zhang，Jin Yang，Liuxi Yang，Junchen Ke，Lin Bai，Qiang Cheng and Tiejun Cui，Advanced Theory And Simulations vol.3，no.12，pp.2000179，2020)，利用传递矩阵法和级联各向异性电阻片的全波模拟来分析该系统的物理机理，通过对外置电压的控制对线极化实现多频段的非对称传输功能。宁波大学研究团队提出具有三重功能的多层超构表面(Quanhai Fang，Lianpei Wu，Weikang Pan，MinhuaLi and Jianfeng Dong，Applied Physics Letters.vol.117，no.7，pp.074102，2020)，对于圆极化波具有不对称传输功能，利用Pancharatnam-Berry(几何)相位原理在9GHz时可以把发散的右旋圆极化波透射为汇聚的左旋圆极化波，同时也可以把汇聚的右旋圆极化波反射为发散的右旋圆极化波，并且在13GHz时还可以对线极化实现异常反射。从以上研究的内容可以看出，现有的不对称传输超构表面主要是控制圆极化电磁波或者线极化电磁波的传输方向，并没有做到可以同时控制线极化波和圆极化波的不对称传输，或者在某一频点上调控透射波和反射波的极化方式，导致工作带宽较窄。在实际应用中，可以增加控制电磁波的极化方式和系统的工作带宽对于不对称传输系统都有着重要的意义。

发明内容