一种具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111244637 A(43)申请公布日 2020.06.05

(21)申请号 202010252073.5(22)申请日 2020.04.01

(71)申请人 杭州灵芯微电子有限公司

地址 310018 浙江省杭州市经济开发区6号

大街260号中自科技园19幢506室(72)发明人 陈磊　(51)Int.Cl.

H01Q 15/00(2006.01)

权利要求书2页 说明书4页 附图3页

(54)发明名称

一种具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元(57)摘要

本发明公开了一种具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元，包括依次设置的表层金属结构层、上层介质板层、下层金属结构层、下层介质板层和底层金属地；表层金属结构层包括第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片，第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片之间相互平行，且其均垂直放置；下层金属结构层包括第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片，第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片之间相互平行，且均水平放置。本发明采用了两层正交放置的金属结构层，通过变化金属结构层的尺寸参数，使超表面基本单元在x极化和y极化电磁波照射下，均实现了较宽范围的反射相位调控且相位变化梯度基本相同，同时单元具有高的反射

效率。

CN 111244637 ACN 111244637 A

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1.一种具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元，其特征在于：基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层（1）、上层介质板层（2）、下层金属结构层（3）、下层介质板层（4）和底层金属地（5）；表层金属结构层（1）包括第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14），第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14）之间相互平行，且其均垂直放置；下层金属结构层包括第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34），第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34）之间相互平行，且均水平放置。

2.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期边长a为14-16mm；所述第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14）的长度b变化范围均为5.9-12.5mm，第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34）的长度e变化范围为6.2-8.55mm；第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14）以及第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34）的宽度c均为1.4-1.6mm，相互之间的间距d均为2.15-2.35mm；所述上层介质板层（2）和下层介质板层（4）的厚度h均为0.9-1.1mm，介电常数均为4.1-4.5，损耗角正切均为0.000-0.006，且上层介质板层（2）和下层介质板层（4）采用相同介质。

3.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期边长a为15mm；所述第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14）的长度b变化范围均为6-12.4mm，第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34）的长度e变化范围为6.3-8.45mm；第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14）以及第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34）的宽度c均为1.5mm，相互之间的间距d均为2.25mm；所述上层介质板层（2）和下层介质板层（4）的厚度h均为1mm。

4.根据权利1-3任一所述的基本单元，其特征在于：所述具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元共有4种基本单元状态；在正入射x极化或y极化电磁波的照射下均能独立地产生4种不同相位的数字态编码，4种不同相位的数字态编码应对应4种基本单元的表层金属结构层（1）和下层金属结构层（3）的尺寸。

5.根据权利要求4所述的超表面单元，其特征在于：4个数字态编码分别为“0”、“1”、“2”和“3”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。

6.根据权利要求4所述的超表面单元，其特征在于：4种基本单元的工作状态中，“0”对应第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14）的长度b均为6mm，第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34）的长度e均为6.3mm；“1”对应第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14）的长度b均为7.2mm，第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34）的长度e均为7.04mm；“2”对应第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片

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（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14）的长度b均为8.02mm，第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34）的长度e均为7.44mm；“3”对应第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片（12）、第三矩形长条贴片（13）和第四矩形长条贴片（14）的长度b均为12.4mm，第五矩形长条贴片（31）、第六矩形长条贴片（32）、第七矩形长条贴片（33）和第八矩形长条贴片（34）的长度e均为8.45mm。

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一种具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元

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技术领域

[0001]本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种在微波段具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元。

背景技术

[0002]超材料是指具有独特电磁特性的人工复合结构，通过在亚波长范围内对材料结构进行适当设计，可以实现对电磁波的有效调控。但由于超材料的三维结构所带来的加工和损耗等问题，限制了其进一步的拓展。因此，基于将三维超材料压缩至二维这一构想，形成了新兴的超表面。超表面与超材料在电磁波的调控方面具有相似的特性，但超表面具有更低的空间维数，故其结构简单紧凑、能量损失小，在应用方面具有更好的灵活性。为了以更为简化的方式对超表面的特性进行描述，近年来提出了编码超表面的概念，实现了通过利用有限的数字状态来调控电磁波。

[0003]超表面可在远小于波长的范围内，引入一定梯度的相位突变。对于反射型超表面，当电磁波到达结构表面时，在不同的超表面单元上产生不同的相位变化，从而能够对入射电磁波的反射波进行调控。通过合理的设计，反射型超表面可以实现具有较宽的相位覆盖和高反射率，故在极化转换器、吸波器和全息器件等方面得到了广泛的应用。[0004]然而，多数的人工电磁超表面只能调控单一极化方向的电磁波，这限制了其应用以及超表面的反射性能。

发明内容

[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元，编码单元采用了的两层正交的金属结构层，通过变化金属结构层的尺寸，在x极化和y极化电磁波入射下，编码单元实现了较宽范围的反射相位调控且相位变化梯度基本保持不变，同时保证了较高反射率。[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元，基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层、上层介质板层、下层金属结构层、下层介质板层和底层金属地；表层金属结构层包括第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片，第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片之间相互平行，且其均垂直放置；下层金属结构层包括第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片，第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片之间相互平行，且均水平放置。[0007]进一步的，所述基本单元的周期边长a为14-16mm；所述第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片的长度b变化范围均为5.9-12.5mm，第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片的长度e变化范围为6.2-8.55mm；第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形

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长条贴片以及第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片的宽度c均为1.4-1.6mm，相互之间的间距d均为2.15-2.35mm；所述上层介质板层和下层介质板层的厚度h均为0.9-1.1mm，介电常数均为4.1-4.5，损耗角正切均为0.000-0.006，且上层介质板层和下层介质板层采用相同介质。[0008]优选的，所述基本单元的周期边长a为15mm；所述第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片的长度b变化范围均为6-12.4mm，第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片的长度e变化范围为6.3-8.45mm；第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片以及第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片的宽度c均为1.5mm，相互之间的间距d均为2.25mm；所述上层介质板层和下层介质板层的厚度h均为1mm。

[0009]进一步的，所述具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元共有4种基本单元状态；在正入射x极化或y极化电磁波的照射下均能独立地产生4种不同相位的数字态编码，4种不同相位的数字态编码应对应4种基本单元的表层金属结构层和下层金属结构层的尺寸。

[0010]进一步的，4个数字态编码分别为“0”、“1”、“2”和“3”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。[0011]进一步的，4种基本单元的工作状态中，“0”对应第一矩形长条贴片（11）、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片的长度b均为6mm，第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片的长度e均为6.3mm；“1”对应第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片的长度b均为7.2mm，第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片的长度e均为7.04mm；“2”对应第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片的长度b均为8.02mm，第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片的长度e均为7.44mm；“3”对应第一矩形长条贴片、第二矩形长条贴片、第三矩形长条贴片和第四矩形长条贴片的长度b均为12.4mm，第五矩形长条贴片、第六矩形长条贴片、第七矩形长条贴片和第八矩形长条贴片的长度e均为8.45mm。[0012]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明区别于传统的利用等效媒质参数对超表面进行分析与设计的方案，从数字编码的角度分析和设计超表面，极大的简化了设计过程；

2.本发明通过调节基本单元金属结构的尺寸参数，实现了较宽的反射相位调控范围，且反射效率高。

[0013]3.本发明加工简单，便于实现，仅依靠简单的金属图样，在微波频段内易于制备加工。

附图说明

[0014]图1是本发明中基本单元的正面结构示意图；

图2是本发明中基本单元的下层金属结构层的示意图；图3是本发明中基本单元的反面结构示意图；

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图4是本发明中基本单元的截面结构示意图；其中：1-表层金属结构层；11-第一矩形长条贴片，12-第二矩形长条贴片，13-第三矩形长条贴片，14-第四矩形长条贴片，2-上层介质板层，3-下层金属结构层，31-第五矩形长条贴片，32-第六矩形长条贴片，33-第七矩形长条贴片，34-第八矩形长条贴片，4-下层介质板层，5-底层金属地；a为基本单元的周期边长；b为上层金属结构层的矩形长条贴片的长度；c为矩形长条贴片的宽度；d为矩形长条贴片之间的间距；e为下层金属结构层的矩形长条贴片的长度；h为介质板层的厚度；

图5是本发明中基本单元的性能结构，其中：图5（a）和5（b）是正入射y极化电磁波照射下的超表面单元仿真结果；图5（c）和5（d）是正入射x极化电磁波照射下的超表面单元仿真结果。

具体实施方式

[0015]下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。[0016]如图1-4所示，一种具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元，基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层1、上层介质板层2、下层金属结构层3、下层介质板4）和底层金属地5；表层金属结构层1包括第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14，第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14之间相互平行，且其均垂直放置；下层金属结构层包括第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34，第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34之间相互平行，且均水平放置。

[0017]所述基本单元的周期边长a为14-16mm；所述第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14的长度b变化范围均为5.9-12.5mm，第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34的长度e变化范围为6.2-8.55mm；第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14以及第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34的宽度c均为1.4-1.6mm，相互之间的间距d均为2.15-2.35mm；所述上层介质板层2和下层介质板层4的厚度h均为0.9-1.1mm，介电常数均为4.1-4.5，损耗角正切均为0.000-0.006，且上层介质板层2和下层介质板层4采用相同介质。[0018]作为一个优选方案，所述基本单元的周期边长a为15mm；所述第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14的长度b变化范围均为6-12.4mm，第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34的长度e变化范围为6.3-8.45mm；第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14以及第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34的宽度c均为1.5mm，相互之间的间距d均为2.25mm；所述上层介质板层2和下层介质板层4的厚度h均为1mm。

[0019]所述具有双极化反射相位调控的高效率超表面单元共有4种基本单元状态；在正入射x极化或y极化电磁波的照射下均能独立地产生4种不同相位的数字态编码，4种不同相位的数字态编码应对应4种基本单元的表层金属结构层1和下层金属结构层3的尺寸。其中，

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4个数字态编码分别为“0”、“1”、“2”和“3”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。[0020]具体而言，4种基本单元的工作状态中，“0”对应第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14的长度b均为6mm，第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34的长度e均为6.3mm；“1”对应第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14的长度b均为7.2mm，第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34的长度e均为7.04mm；“2”对应第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14的长度b均为8.02mm，第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34的长度e均为7.44mm；“3”对应第一矩形长条贴片11、第二矩形长条贴片12、第三矩形长条贴片13和第四矩形长条贴片14的长度b均为12.4mm，第五矩形长条贴片31、第六矩形长条贴片32、第七矩形长条贴片33和第八矩形长条贴片34的长度e均为8.45mm。[0021]如图5所示，当中心频率为8GHz时，超表面单元在y极化电磁波照射下，能够实现约270°的反射相位调控范围。同样在x极化电磁波照射下，相邻数字编码的超表面单元也能够实现接近90°的反射相位差。这表明单元支持对x极化和y极化方向入射波实现反射相位的控制。由图5（b）和5（d）可知，在8GHz时，单元的反射幅度均大于-0.5dB，表明了超表面单元对两种极化方向的入射电磁波均可进行高效率反射。[0022]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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图1

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图3

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图5

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