[发明专利]一种用于灵活操控无衍射表面波的可重构超表面

说明书

本发明公开了一种用于灵活操控无衍射表面波的可重构超表面，由无源梯度折射率单元阵列和电可调梯度折射率单元阵列构成。与现有的结构、功能固定不变的无衍射表面波生成器不同，本发明中的电可调梯度折射率单元集成了电可调元件，通过巧妙的控制线路设计，可利用电压控制模块实时改变电可调梯度折射率单元阵列的折射率分布，达成从柱面波前表面波到无衍射表面波的生成，并实现无衍射表面波传播方向及无衍射距离的动态调控。该发明有望应用于表面波能量传输，短程通信及无线充电等领域。

技术领域

本发明属于新型人工超表面阵列技术领域，具体涉及一种用于灵活操控无衍射表面波的可重构超表面。

背景技术

电磁表面波是存在于两种不同材料界面上的电磁波传播模式。它们在光学中被称为表面等离子体；在微波频率下，它们是导致电磁干扰、兼容性和耦合效应的重要因素。由于很容易由空间波激励，因此表面波也是电磁能量和信息传输的有效解决方案。此前，研究人员已经提出了一系列设备来操纵它们，包括表面波波导、光束移位器、自聚焦表面、表面波脉冲路由、梳状无基传输线、双曲面超表面等。这些杰出的研究有望实现表面波的广泛应用。

与自然界中的其他类型的波一样，电磁波在传播过程中会发生自然发散现象。研究者们希望通过某种手段抵消这种效应，从而产生无衍射的传输现象。贝塞尔光束是一种典型的无衍射波束，由Durnin等人于1987年提出。由于理想的贝塞尔波束需要无穷大的能量，这在物理上是不可能实现的，但具有非衍射特性的准贝塞尔波束已经被广泛证明。在准贝塞尔波束的无衍射传播区域内，电磁波的能量非常集中，因而具有很高的应用价值。准贝塞尔波束是无数相干平面波叠加产生的干涉图案，可以使用轴棱锥结构、介电透镜以及径向线槽阵列产生。近年来，人们基于相位调制超表面、梯度折射率超表面、全息超表面、平面泄漏径向波导等技术实现了大量无衍射波束发生器。对于电磁表面波，研究者们通过组合半麦克斯韦鱼眼透镜和梯度折射率透镜实现了无衍射表面波。但是，上述研究中的无衍射光束方向大多平行于发生器口径的法线方向，只有极少数器件涉及斜向无衍射波束的产生。而且，现有器件绝大多数为固定性能，所生成的无衍射波束无法实时控制。目前还未见可灵活操控无衍射表面波发生器的报道。

发明内容

本发明的目的在于实现无衍射表面波传播方向及无衍射距离的实时、动态调控，提供一种用于灵活操控无衍射表面波的可重构超表面；

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于灵活操控无衍射表面波的可重构超表面，包括:沿表面波的传播方向依次设置在介质板上的第一无源梯度折射率阻抗匹配单元阵列、无源梯度折射率单元阵列、第二无源梯度折射率阻抗匹配单元阵列、第一常数折射率阻抗匹配单元阵列、电可调单元阵列以及第二常数折射率阻抗匹配单元阵列；

所述无源梯度折射率单元阵列，用于将表面波源激发的横磁表面波的柱面波前变换为平面波前；

所述电可调单元阵列，用于将横磁表面波的平面波前变换为无衍射波束，并在能够直流电压模块输出的直流电压作用下实时改变折射率分布，从而动态切换无衍射表面波波束的方向和无衍射距离；

所述第一无源梯度折射率阻抗匹配单元阵列用于抑制无源梯度折射率单元阵列与介质板的无单元部分之间的反射；

所述第二无源梯度折射率阻抗匹配单元阵列用于抑制无源梯度折射率单元阵列与第一常数折射率阻抗匹配单元阵列之间的反射；

所述第一常数折射率阻抗匹配单元阵列用于抑制电可调单元阵列与第二无源梯度折射率阻抗匹配单元阵列之间的反射；

所述第二常数折射率阻抗匹配单元阵列用于抑制电可调单元阵列与介质板的无单元部分之间的反射。

进一步地，所述无单元介质板包括沿竖直方向依次相互连接的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层；