一種相位梯度超表面單元、超單元以及反射陣列的製作方法
2023-04-23 21:59:16
本發明實施例涉及本發明屬於微波技術領域，尤其涉及一種相位梯度超表面單元、超單元以及反射陣列。
背景技術：
電磁波是電磁場的一種運動形態，變動的電會產生磁，變動的磁則會產生電，變化的電場和變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波。電磁波為橫波，可用於探測、定位、通信，在應用時，經常需要對入射電磁波的反射角度進行調控。
超材料是指通過亞波長結構單元構成的、具有自然界材料所不具備的超常物理特性的新型人工複合結構或者複合材料，能夠實現自然材料所不能實現的特性或者功能。超表面是超材料的二維平面情形，例如相位梯度超表面可以調控電磁波的反射或者折射路徑，而具有相同單元結構的超表面可以實現空間濾波的功能。傳統的光學元件都是利用在電磁波傳播路徑上連續相位積累來改變波束的傳播方向，這使得其存在體積大，結構複雜的缺點。同傳統的光學元件相比，相位梯度超表面可以在界面不同位置引入不同的相位突變，通過對這些相位突變進行設計，控制反射波束和折射波束的方向。在這種情況下，電磁波傳播不再遵守經典的反射定律和折射定律，而是遵守廣義反射定律和折射定律。這樣通過設計亞波長超表面單元結構的尺寸實現對反射波和透射波的自由控制，極大地減小了器件的厚度和體積，其在現代隱身通信、電子對抗等領域都具有重要的應用價值。
現有技術中，超表面反射陣列只能在較窄的頻段內實現對電磁波反射角度的調控，並且反射率也不是很理想，另外，現有的超表面反射陣列很多不能實現電磁波極化偏轉的功能或是電磁波極化偏轉率很低。因此研發一款反射率高，同時能夠實現電磁波極化偏轉的功能的反射陣列成為亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，一種相位梯度超表面單元、超單元以及反射陣列。
一方面，本發明實施例提供一種相位梯度超表面單元，包括介質板，所述介質板包括第一正方形表面和與所述第一正方形表面相對的第二正方形表面，所述第一正方形表面上設置有s形金屬貼片，所述第二正方形表面上設置有金屬接地板。
另一方面，本發明實施例提供一種超單元，包括2n個權利要求1-4任一項所述的超表面單元，其中n≥1，且為整數，所述2n個超表面單元以第一正方形表面為正面順序排列，所述2n個超表面單元中的s形金屬貼片的缺口距離或缺口方向不同，以使得對入射波調製的波形相位變化量為0度到360度。
再一方面，本發明實施例提供一種反射陣列，包括多個權利要求5-8任一項所述的超單元，所述多個超單元以第一正方形表面為正面順序排列。
本發明實施例提供的相位梯度超表面單元、超單元以及反射陣列，通過在介質板上設置s形金屬貼片，並改變s形金屬貼片的缺口距離和缺口方向，使得對入射波調製的波形相位變化量為0度到360度。並且由相位梯度超表面單元組成的反射陣列，對反射電磁波具有很好地角度調控功能，同時提高了電磁波調控的反射率，還可以改變電磁波的極化方向，具有極化偏轉性能。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例中相位梯度超表面單元的結構示意圖；
圖2為本發明實施例中相位梯度超表面單元的主視圖；
圖3為本發明實施例中超單元的主視圖；
圖4為本發明實施例中超單元對電磁波反射調控的反射相位變化圖；
圖5為本發明實施例中的超單元對電磁波反射調控的反射率變化圖；
圖6為本發明實施例中反射陣列結構示意圖；
圖7為本發明實施例中又一反射陣列結構示意圖；
圖8為本發明實施例中反射陣列的電磁波角度調控電場示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明實施例中描述的相位梯度超表面單元是指基於相位梯度超表面的一種單元結構，簡稱超表面單元，超單元是指由超表面單元組成的一種結構，反射陣列是指包括上述超單元的一種用於電磁波反射角度調控的裝置。
圖1為本發明實施例中相位梯度超表面單元的結構示意圖，如圖1所示，本發明實施例提供的一種相位梯度超表面單元包括介質板1，介質板1包括第一正方形表面和與所述第一正方形表面相對的第二正方形表面，所述第一正方形表面上設置有s形金屬貼片2，所述第二正方形表面上設置有金屬接地板3。
具體地，超表面單元包括介質板1，介質板1至少包括兩個正方形表面即：第一正方形表面和與第一正方形表面相對的第二正方形表面，也就是說介質板1是長方體或立方體結構。本發明實施例中介質板1採用的是長方體結構，其中第一正方形表面和與第二正方形表面的寬l＝5mm，介質板1的厚度d＝3mm，此處介質板1的厚度不包括s形金屬貼片2和金屬接地板3的厚度，介質板1的介電常數為2.65，當然介質板1的具體參數可以根據實際使用情況進行設置，本分明實施例不作具體限定。在第一正方形表面上設置有s形金屬貼片2，在與第一正方形表面相對的第二正方形表面上設置有金屬接地板3，金屬接地板3的長和寬與第二正方形表面相同。其中，介質板1的材質可以採用聚四氟乙烯，s形金屬貼片2和金屬接地板3可以根據實際使用情況選用金、銀等金屬，本發明實施例對介質板1、s形金屬貼片2和金屬接地板3的材質不作具體限定。
本發明實施例提供的相位梯度超表面單元，通過在介質板的正方形表面上設置s形金屬貼片，可以改變電磁波的極化方向，實現了電磁波極化偏轉的功能。
圖2為本發明實施例中相位梯度超表面單元的主視圖，如圖2所示，在上述實施例的基礎上，s形金屬貼片2包括兩個大小相同且缺口距離相同的圓形金屬貼片。
具體地，s形金屬貼片2包括兩個圓形金屬貼片，兩個圓形金屬貼片相切，大小相同，並且缺口距離g相同，其中缺口距離是指，過兩個圓形金屬貼片的切點，作一條與缺口的另一端相平行的直線，從缺口的另一端到所述直線的垂直距離即為缺口距離，具體參見圖2中的缺口距離g。
在上述實施例的基礎上，s形金屬貼片2的幾何中心與所述第一正方形表面的幾何中心重合。
具體地，如圖2所示，s形金屬貼片2的幾何中心為兩個圓形金屬貼片的切點，所述切點與介質板1的第一正方形表面的幾何中心重合。
在上述實施例的基礎上，s形金屬貼片2的厚度和金屬接地板3的厚度相同。
具體地，本發明實施例中s形金屬貼片2的厚度和金屬接地板3的厚度的均為0.018mm，具體使用時還可以根據實際情況設置s形金屬貼片2的厚度和金屬接地板3的厚度，本發明實施例不作具體限定。
本發明實施例提供的相位梯度超表面單元，通過在介質板的正方形表面上設置由兩個大小相同且缺口距離相同的圓形金屬貼片組成的s形金屬貼片，可以改變電磁波的極化方向，實現了電磁波極化偏轉的功能。
圖3為本發明實施例中超單元的主視圖，如圖3所示，在上述實施例的基礎上，本發明實施例提供一種超單元，包括2n個超表面單元，其中n≥1，且為整數，所述2n個超表面單元以第一正方形表面為正面順序排列，所述2n個超表面單元中的s形金屬貼片的缺口距離或缺口方向不同，以使得對入射波調製的波形相位變化量為0度到360度。
具體地，超單元包括2n個順序排列的超表面單元，其中n為正整數，如圖3所示，2n個超表面單元均是以s形金屬貼片所在的第一正方形表面為正面，並且其中2n個s形金屬貼片的缺口距離或缺口方向不同，其中缺口方向不同是指缺口位於圓形金屬貼片的位置不同，其中2n個s形金屬貼片對入射波調製的波形相位變化量為0度到360度。本發明實施例中超單元包括6個上述超表面單元((1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6))，超單元的長度l＝30mm，具體使用時可以根據實際情況選擇合適數量的超表面單元，本發明實施例不作具體限定。
本發明實施例提供的超單元，由上述多個超表面單元組成，並且多個超表面單元中的多個s形金屬貼片對入射波調製的波形相位變化量覆蓋了0度到360度，當電磁波入射到超單元上時，可以實現對電磁波反射角度的調控，並且反射率高，同時實現了電磁波極化偏轉的功能。
在上述實施例的基礎上，所述2n個超表面單元的前n個超表面單元中的s形金屬貼片的缺口距離不同，並且第i+n個s形金屬貼片的缺口尺寸與第i個s形金屬貼片的缺口距離相同，其中1≤i≤n，且為整數。
具體地，如圖3所示，本發明實施例中超單元包括6個上述超表面單元，因此就包括6個s形金屬貼片，n＝3，前3個s形金屬貼片的缺口距離不同，依次是l1＝0.20mm，l2＝1.41mm，l3＝2.40mm，並且第4個s形金屬貼片的缺口距離與第1個s形金屬貼片的缺口距離相同，第5個s形金屬貼片的缺口距離與第2個s形金屬貼片的缺口距離相同，第6個s形金屬貼片的缺口距離與第3個s形金屬貼片的缺口距離相同，即l4＝l1＝0.20mm，l5＝l2＝1.41mm，l6＝l3＝2.40mm。需要說明的是，缺口距離可以根據實際情況進行設置，本發明實施例不作具體限定。
本發明實施例提供的超單元，通過改變s形金屬貼片的缺口距離，來改變s形金屬貼片對入射波調製的波形相位變化量，提高對電磁波調製的反射率，並實現電磁波極化偏轉的功能。
在上述實施例的基礎上，所述第i+n個s形金屬貼片的缺口方向與所述第i個s形金屬貼片繞所述第i個s形金屬貼片的幾何中心旋轉預設角度後的缺口方向相同。
具體地，如圖3所示，本發明實施例中超單元包括6個上述超表面單元，因此就包括6個s形金屬貼片，n＝3，其中第4個s形金屬貼片的缺口方向與第1個s形金屬貼片繞其幾何中心旋轉90度後的缺口方向相同，同樣地，第5個s形金屬貼片的缺口方向與第2個s形金屬貼片繞其幾何中心旋轉90度後的缺口方向相同，第6個s形金屬貼片的缺口方向與第3個s形金屬貼片繞其幾何中心旋轉90度後的缺口方向相同。實際上，後3個s形金屬貼片是前3個s形金屬貼片繞其幾何中心旋轉90度後得到的。
在上述實施例的基礎上，所述2n個s形金屬貼片中的圓形金屬貼片的內圓半徑相等，外圓半徑相等。
具體地，2n個超表面單元上的2n個s形金屬貼片都是由兩個大小相同的圓形金屬貼片組成，並且每一個圓形金屬貼片的內圓半徑r1和外圓半徑r2分別相等。本發明實施例中內圓半徑r1都為1mm，外圓半徑r2都為1.2mm。需要說明的是，其中內圓半徑和外圓半徑的具體數值可以根據實際情況進行設置，本發明實施例不作具體限定。
圖4為本發明實施例中的超單元對電磁波反射調控的反射相位變化圖，圖中橫坐標表示電磁波的頻率，縱坐標表示反射相位。如圖4所示，圖中有六條線分別表示不同超表面單元對電磁波反射調控的反射相位變化，從圖4中可以看出，當電磁波入射到由6個超表面單元組成的超單元時，在8.5-20ghz的頻率範圍內，相鄰的超表面單元反射相位間隔都在60度左右，且超單元對電磁波反射調控的反射相位變化覆蓋了0度到360度。
圖5為本發明實施例中的超單元對電磁波反射調控的反射率變化圖，圖中橫坐標表示電磁波的頻率，縱坐標表示反射率。如圖5所示，圖中有6條線分別表示不同超表面單元的對電磁波反射調控的反射率的變化，但是其中第1條線與第4條線重合，第2條線與第5條線重合，第3條線與第6條線重合，因此圖中實際上只能看到3條線。當電磁波入射到由6個超表面單元組成的超單元時，在8.5-20ghz的頻率範圍內，可以看出六個超表面單元都具有較高的的反射率。
本發明實施例提供的超單元，包括多個超表面單元，通過改變超表面單元上的s形金屬貼片的缺口距離和缺口方向，來改變每一個超表面單元對入射波調製的波形相位變化量以及反射率，從而提高超單元對電磁波調製的反射率，並實現了電磁波極化偏轉的功能。
圖6為本發明實施例中反射陣列結構示意圖，如圖6所示，在上述實施例的基礎上，本發明實施例提供一種反射陣列，包括：多個超單元，所述多個超單元以第一正方形表面為正面順序排列。
具體地，如圖6所示，反射陣列包括24個上述超單元，並且每一個超單元都是以s形金屬貼片所在的第一正方形表面為正面順序排列，具體的超單元數量可以根據實際情況進行設置，本發明實施例不做具體限定。
在上述實施例的基礎上，所述多個超單元以所述第一正方形表面為正面順序排列成多行多列。
具體地，多個超單元以第一正方形表面為正面順序排列成多行多列，如圖6所示，24個超單元可以排列成12行2列，需要說明的是，反射陣列中的多個超單元還可以排列成其他行數和列數，如多行1列、1行多列等，本發明實施例不做具體限定。圖7為本發明實施例中又一反射陣列結構示意圖，如圖7所示，反射陣列包括6個超單元，排列成6行1列。
圖8為本發明實施例中反射陣列的電磁波角度調控電場示意圖，本發明實施例採用頻率為14ghz電磁波垂直入射到反射陣列上，如圖8所示，本發明提供的反射陣列對反射電磁波具有很好地角度調控功能。需要說明的是，本發明實施例採用的是頻率為14ghz電磁波垂直入射到反射陣列上，實際使用時，本發明實施例提供的反射陣列還可以對其他頻率或入射角度的電磁波進行調控，本發明實施例不作具體限定。
本發明實施例提供的相位梯度超表面單元、超單元以及反射陣列，通過在介質板上設置s形金屬貼片，並改變s形金屬貼片的缺口距離和缺口方向，使得對入射波調製的波形相位變化量為0度到360度。並且由相位梯度超表面單元組成的反射陣列，對反射電磁波具有很好地角度調控功能，同時提高了電磁波調控的反射率，還可以改變電磁波的極化方向，具有極化偏轉性能。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。