[发明专利]曲折线超材料单元及利用该单元设计的聚焦超表面

权利要求书

1.曲折线超材料单元，其特征在于：包括第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)、第三竖直线段(3)、第一水平线段(4)和第二水平线段(5)，按照第一竖直线段(1)、第一水平线段(4)、第二竖直线段(2)、第二水平线段(5)和第三竖直线段(3)的顺序依次连接，第一竖直线段(1)上加载有第一二极管(6)，第二水平线段(5)上加载有第二二极管(7)，第二竖直线段(2)和第三竖直线段(3)由第三二极管(8)连通，第一二极管(6)和第二二极管(7)导通时，第三二极管(8)截止；第三二极管(8)导通时，第一二极管(6)和第二二极管(7)截止；第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)和第三竖直线段(3)构成的等效电阻相同，第一水平线段(4)和第二水平线段(5)构成的等效电阻相同；第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)、第三竖直线段(3)、第一水平线段(4)和第二水平线段(5)均由导电材料制成。

2.根据权利要求1所述的曲折线超材料单元，其特征在于：所述第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)和第三竖直线段(3)的长度相等，均为L；第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)、第三竖直线段(3)、第一水平线段(4)和第二水平线段(5)的宽度相等，均为τ，第一水平线段(4)和第二水平线段(5)的长度相等。

3.根据权利要求2所述的曲折线超材料单元，其特征在于：所述第一水平线段(4)和第二水平线段(5)的长度相等，均为4τ。

4.根据权利要求2所述的曲折线超材料单元，其特征在于：所述L为450μm，τ＝25μm，曲折线超材料单元的谐振频率为92.5GHz。

5.利用权利要求1-4任一所述的曲折线超材料单元设计的聚焦超表面，其特征在于：若干个曲折线超材料单元布置在介质板上，参考波采用同轴馈电，形成平面波导，从而在介质板中形成柱面波，将入射波辐射在超表面上的磁场通过Hankel函数建立模型如下：

其中，k表示真空中电磁波传播的波数，λ表示为电磁波的波长；ε_r表示介质基板的介电常数；φ表示曲折线长轴在表面的角度，如果曲折线长轴沿着x轴，则该曲折线将会与参考波的x轴分量耦合，所以要乘以cosφ，这个时候φ＝0°，如果沿着y轴，则乘以sinφ，φ＝90°，取值范围就是0-90度，表示曲折线长轴倾斜角；是超表面上离散点的位置；

基于全息的思想，需要得到参考波与虚拟聚焦点反向传播至超表面全息板所干涉形成的场分布，因此，对于虚拟聚焦点反向传播至超表面的场分布，定义如下：

其中，k表示真空中电磁波传播的波数，

为了在超表面上产生全息图，使得式(2)的后向传播场将从式(1)的参考波导模产生，可通过由下式定义的具有曲折线超材料单元的超表面表面上的复振幅分布来实现：

其中，表示引导磁场的复共轭。

6.根据权利要求5所述的聚焦超表面，其特征在于：所述Hankel函数是由贝塞尔函数推导出来的，具体公式如下：

7.根据权利要求5所述的聚焦超表面，其特征在于：所述曲折线超材料单元在介质板上呈矩阵式排列。

8.根据权利要求7所述的聚焦超表面，其特征在于：所述曲折线超材料单元为60行，每行60个，聚焦超表面的尺寸为27mm×18mm×10μm。

9.根据权利要求5所述的聚焦超表面，其特征在于：所述介质板为硅基板。