[发明专利]在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法

说明书

本发明公开一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，应用于计算机装置中，该方法包括如下步骤：构建一个石墨烯反射单元，该石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；输入待构建的石墨烯超表面所需的石墨烯反射单元的数量；计算待构建的石墨烯超表面各个位置处的相位分布来确定构成石墨烯超表面的所有石墨烯单元的排列位置；根据待构建的石墨烯超表面的所有石墨烯单元的排列位置将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。本发明实施例运用石墨烯反射单元构建石墨烯超表面，并能够对电磁波在三维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制。

技术领域

本发明涉及微波通信的技术领域，尤其涉及一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法。

背景技术

近年来，控制电磁波的自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)的技术逐渐引起了人们的研究兴趣，由于它们能够应用在通信系统的极化分集和信道编码等方面，因此不断的有研究人员设计超表面器件来独立调控它们。这两种动量是一个传播电磁波的本征特性，它们分别与电磁波的极化和相位有关。由于超表面在控制电磁波极化和相位方面的灵活性，它们被广泛引用于不规则反射或折射、反射阵天线、涡旋波产生器和极化转换器等方面。

随着通信速率逐渐提高，应用频段也会随着升高，能够应用在太赫兹(THz)频段的超表面成为了必然的趋势。现在一些应用太赫兹频段的超表面，大多数是使用金属单元设计的，由于金属在频率较高的THz频段本身的趋肤效应较严重，使电流集中在金属表面，电流分布不平均造成了单元阻抗增加，从而使整个超表面的损耗较高，不利于实际应用。

发明内容

为了解决上述技术缺陷，本发明的主要目的在于提供一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，能够构建一种新型的石墨烯超表面来实现对THz频段电磁波的SAM进行调控，并对电磁波在三维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制，而且结构简单，易于集成。

为实现上述目的，本发明提供了一种在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面构建方法，应用于计算机装置中，该方法包括如下步骤：构建一个石墨烯反射单元，该石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板，所述石墨烯贴片设置在石英介质板的上表面，且石墨烯贴片的长边与三维空间坐标轴X轴之间的旋转角度为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，其中，旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度；输入待构建的石墨烯超表面所需的石墨烯反射单元的数量以及所有墨烯反射单元的排列位置；计算待构建的石墨烯超表面各个位置处的相位分布来确定构成石墨烯超表面的每个石墨烯单元上石墨烯贴片的旋转角度θ，所述待构建的石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：Φ(x,y)＝Φ₀(x,y)-k₀sinθ'(xcosγ+ysinγ)，其中θ＝Φ(x,y)/2，式中，Φ₀(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k₀为自由空间中的波数，Φ(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ′为电磁波在二维方向上的投影与X轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角，γ为电磁波在三维方向上与Z轴的夹角；按照待构建的石墨烯超表面的所有石墨烯单元的排列位置将所有石墨烯单元组合成石墨烯超表面。

优选的，所述构建一个用于控制电磁波自旋方式的石墨烯反射单元的步骤包括如下具体步骤：确定石墨烯反射单元的三层组成结构；计算石墨烯贴片的电导率；利用PB相位法计算石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度；输入初始尺寸参数至HFSS仿真软件中建立石墨烯反射单元的仿真模型；对石墨烯反射单元的仿真模型进行仿真分析得到仿真分析结果；利用仿真分析结果得出石墨烯反射单元的实际尺寸参数；按照石墨烯反射单元的实际尺寸参数以及石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度构建所述在三维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面。