[发明专利]透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件及其设计方法

权利要求书

1.一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，其特征在于，所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件包括M*M个具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距周期延拓组成；所述超表面单元为六层金属结构，自上而下由六层金属和五层介质板交替层叠构成，自上而下的六层金属结构分别为第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层；自上而下的五层介质板分别为第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板和第五介质板；

所述第一金属层为十字金属环和交叉十字金属贴片构成谐振器Ⅱ；所述第二金属层为刻蚀有闭合圆环槽的地板结构；所述第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层为完全相同的矩形金属贴片，所述矩形金属贴片四周为矩形金属环，所述第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层构成的谐振器I；谐振器Ⅱ在工作频率为f₂处双通道下的实现反射功能，谐振器I在工作频段为f₁处双通道下的实现透射功能。

2.根据权利要求1所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，其特征在于，所述超表面结构参数为：

所述矩形金属环长度为P＝12mm，交叉十字金属贴片的宽度为w＝2.4mm，十字金属环的宽度为b＝0.2mm，十字金属环与交叉十字金属贴片之间的间隙为g₁1＝0.3mm，第一介质层和第二介质层的厚度为h₁＝2mm，第三介质层、第四介质层和第五介质层厚度为h₂＝1.5mm；第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层采用金属铜，厚度为0.036mm。

3.根据权利要求1所述透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件，其特征在于，所述超表面在高频f₂＝15.8GHz处具有反射模式下的左旋波束偏折功能和右旋波反射贝塞尔波束功能；在低频f₁＝8.7GHz处具有透射模式下的左旋波电磁聚焦功能和右旋波透射四波束功能；

对于聚焦相位分布，相位分布满足以下方程：

其中，表示聚焦功能的相位，λ代表工作频率所对应波长，x和y分别代表超表面单元距x轴和y轴的距离，F代表焦距；

对于四波束性能，利用交替投影算法优化口径相位分布的最终目的是通过一个闭合的迭代过程找到辐射场集合(集合A)与目标场集合(集合B)之间的交集；反射阵的辐射场由处在超表面位置(m,n)处单元的反射幅度和反射相位共同决定：

式中，T表示优化的辐射场，j表示复数(j^2＝-1)，k表示自由空间波矢，α_m,n表示第(m,n)单元的反射幅度，I是所有单元的位置集合θ_b和分别是波束的方位角和俯仰角；和是单元分别在x和y方向上的位置；

为实现理想的四波束辐射，目标辐射场仍然需要满足两个限制条件；

分别利用下边界(M_L＝0.707)和上边界(M_U＝1)两个边界值来表征每个主波束的-3dB带宽；

B≡{T:T(u,v)＝M_L(u,v)≤|T(u,v)|≤M_U(u,v)}

为抑制旁瓣，旁瓣区域的辐射场必须满足第二个条件：

B≡{T:|T(u,v)|≤M_U}

以下函数被用来限制旁瓣区域：

T_adp表示限制旁瓣区域的函数；

对于波束偏折功能，其相位分布满足以下关系：

其中，是自由空间波矢，λ为工作频率所对应波长；是第(i，j)单元的透射相位；S_i,j是第(i,j)单元距馈源的距离；x_i,j和y_i,j是第(i,j)单元在直角坐标系中距x轴和y轴的距离；i为二维平面坐标系内x方向上单元，j为y方向上单元；θ_c和分别是透射波的俯仰角和方位角；ψ是超表面单元的初始相位，在这里设置为0°；

对于贝塞尔波束，相位分布满足以下相位分布：

其中，表示贝塞尔波束对应的相位，β是贝塞尔波束的半波束角，p是超表面单元的周期。