[发明专利]一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面

说明书

本发明公开了一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面，该超表面由两层双面的结构单元在空间上周期排布构成，第一层用来控制反射的振幅和相位，称为振幅‑相位控制层，第二层用于控制反射和透射波的振幅，称为反射‑透射控制层；在每一层介质基板的正反两面，正面横向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，反面纵向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，通过直流稳压源能够为开关二极管提供不同的偏置电压，使其处于不同的工作状态，从而实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。此外，该超表面还具有同时独立控制水平极化波和垂直极化波的能力。该超表面具有作为智能隐身天线罩的潜在应用。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功 能超表面。

背景技术

近几十年来，超材料作为一种可以任意控制电磁波传输路径的人造材料受到了广泛 的关注。已经报道了许多基于超材料的新奇样品，例如负折射，完美镜片，隐形斗篷等。然而，超材料通常体积庞大，具有制造复杂，损耗高和分散性强的缺点。自2011年以 来，已经提出了超表面，可以通过将亚波长散射体设置为二维(2D)模式将其视为平面 超材料。与传统的体积大的超材料相比，超表面具有低轮廓，低损耗和易于制造的优点， 并且还具有强大的电磁波处理能力。在微波频带中，超表面被广泛用于操纵极化状态， 产生涡旋光束，实现高指向性天线和增强吸收。

通常，超表面可以分为两种类型：透射和反射。但是，常规的超表面通常只能在反射状态或透射状态中工作，并且仅具有单一功能。最近，在微波和光学波段中都提出了 一些多功能的超表面，它们对不同的偏振波具有不同的功能。但是，一旦完成设计，这 些超表面的功能将无法更改。

编码超材料，它在物理世界和数字信息世界之间架起了一座桥梁，近年来受到了极 大的关注。通过将有源组件加载到单元结构中，可以实现数字编码超材料，它具有实时处理电磁波和处理数字信息的强大功能。但是，由于易于设计和制造，大多数数字编码 超表面都是反射型的。最近一些对于反射和透射波的进行调控超表面也被提出来，但这 些结构往往反射或者透射功能固定，或者只能工作在单一极化波中，并不能真正的全空 间调控电磁波。

发明内容

技术问题：为了克服上述难题，本发明提供一种具有电磁波全空间调控能力的可重 构多功能超表面。通过调控加载单元缝隙上的开关二极管的偏置电压，可实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。

技术方案：本发明的一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面由两层 双面的结构单元在空间上周期排布构成，第一层用来控制反射的振幅和相位，称为振幅-相位控制层，第二层用于控制反射和透射波的振幅，称为反射-透射控制层；在每一层介质基板的正反两面，正面横向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，反 面纵向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，通过直流稳压源能够为开关 二极管提供不同的偏置电压，使其处于不同的工作状态。从而实现全透射、全吸收、全 反射和可编程调控反射波的实时切换。

其中，所述的两层结构单元中，第一层和第二层的结构单元形状不同，但每层正反两面的结构单元形状大小一致，都为双面金属涂层结构且正反的排列结构互相正交，其 中每层的正面和背面金属单元结构分别用于控制X极化波和Y极化波。

所述两层双面的结构单元的上下两层相互独立，又相互协同工作；当反射-透射控制层处于关闭状态，该表面可以通过控制振幅-相位层，实现全反射和全吸收；当反射- 透射控制层处于全反射状态，通过实时改变编码的相位，对反射波进行波束调制；当振 幅-相位层处于打开状态，通过控制反射-透射控制层，调控透射波的幅度。

所述的介质基板厚度尽量薄，达到降低介质基板所带来的的介质损耗，增加透射率 的效果。

所述多功能超表面，在可编程调控反射波情况下，单元结构呈现对电磁波反射相位 差180度的两种不同电磁响应，两种不同的电磁响应用二进制数字“0”和“1”来表示。