[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

说明书

本发明属于超表面电磁调控技术领域，具体为一种透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件及其设计方法。由M*M个超表面单元周期延拓组成；超表面单元自上而下由六层金属结构和五层介质板交替层叠构成；其中，第一层结构为由十字金属环和交叉十字金属贴片构成的谐振器II；第二层为刻蚀有闭合圆环槽的金属地板；第三、四、五和六层结构为完全相同的矩形金属贴片，贴片四周为矩形金属环，构成谐振器I；谐振器II的工作频率为fsubgt;2/subgt;，谐振器I的工作频段为fsubgt;1/subgt;；该单元前向激发时，器件在fsubgt;2/subgt;处的左旋、右旋圆极化通道内分别实现反射电磁功能Fsubgt;3/subgt;和Fsubgt;4/subgt;；后向激发时，器件在fsubgt;1/subgt;处的左旋、右旋圆极化通道内分别实现透射电磁功能Fsubgt;1/subgt;和Fsubgt;2/subgt;。

技术领域

本发明涉及超表面电磁调控技术领域，特别涉及透反射全旋向解耦多功能超表面集成器件及其设计方法。

背景技术

超表面由人工亚波长单元经过周期和非周期排列组成，具备自然材料所不具备的电磁属性，能够灵活操控电磁波极化、相位和幅度，在通讯、信息和国防领域具有广泛的应用前景。为满足电磁器件集成化要求，有学者提出了多功能超表面概念，即将多个功能集成在单一超表面上，进一步扩大了超表面的信息容量。然而，大部分多功能超表面主要基于传输相位的线极化波调控模式实现。目前，尽管出现了一些关于调控圆极化波的多功能超表面，但是圆极化波两个正交旋向之间的固有耦合限制了超表面信息通道数量，严重制约着超表面信息容量的进一步扩展。因此，有学者通过组合几何和传输相位的方法实现了两个正交旋向通道的完全解耦。然而，基于该旋向解耦理论所实现的多功能超表面仅工作于反射或者透射模式下，在透反射模式下同时实现旋向解耦几何相位的多功能超表面还未见报道，它能够极大拓展信息通道数目，在信息传输领域有重要应用价值，其设计理论和方法亟待挖掘和发展。

本发明基于旋向解耦，结合FSS超表面公布了一款集成透、反射旋向电磁调控的四通道多功能超表面电磁器件。所公布的超表面可以在带通和带阻两个互相高度隔离的频段内分别实现两个模式下的圆极化波两个正交旋向通道完全解耦，实现了四通道多功能集成，进一步扩展了超表面信息通道数目和电磁空间调控范围，在国防和信息通讯领域有重要潜在应用。

发明内容

本发明目的在于提出一种在两个圆极化波正交旋向通道内对透射、反射电磁波进行全空间电磁操控的四通道多功能超表面集成器件及其设计方法。

本发明提供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金属谐振器；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；十字形金属谐振器工作频率为f₂，矩形金属贴片工作频段为f₁。

更近一步地，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g₁ 1＝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。