[发明专利]一种惠更斯超表面单元、透射阵天线及单元相位控制方法

说明书

本发明公开了一种惠更斯超表面单元、透射阵天线及单元相位控制方法，单元包括介质基板、位于介质基板上表面的上层金属层和位于介质基板下表面的下层金属层，上层金属层和下层金属层均包括开口金属谐振环，在金属谐振环内部镶嵌有金属贴片，且上层金属层的开口金属谐振环和下层金属层的开口金属谐振环的开口位置反对称。超表面由若干单元结构阵列组成，通过分别调节外环开口大小和内嵌金属贴片长度，所述单元结构可以在保持透射幅值高于‑2.5dB实现360°透射相位控制。本发明具有超薄单层介质结构，无需打孔设计，易于加工，可以有效应用于设计微波乃至太赫兹波段诸如波束偏折、透射阵等器件，也可用于隐身、成像方面。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种惠更斯超表面单元、透射阵天线及单元相位控制方法。

背景技术

超材料是由具有周期性或非周期性排列的人工亚波长单元结构组成，具有灵活操控电磁波的能力。超材料所具有的奇异电磁特性使得许多有趣的工作如负折射、电磁隐身、变换光学透镜等应用如雨后春笋般涌现。将亚波长散射单元配置在二维表面上的超表面是一种新型的平面型超材料，其同样具有可与传统三维超材料相比拟的强大的电磁波调控能力。超表面通常分为反射和透射两种类型。对于反射型超表面，利用单层金属反射单元结构便可以很容易在保持高反射率条件下实现360°反射相位控制。然而，对于透射型超表面，采用单层或者双层金属结构很难同时实现高透射率和360°透射相位控制。作为透射型超表面的一种，多层频率选择表面经常被用来进行透射式结构应用设计。然而，已有学者证明多层频率选择表面具有一个局限性：在保持高透射率的前提下，多层频率选择表面需要至少三层金属结构才能实现360°透射相位控制，这就给结构的小型化和加工带来了难度。

惠更斯超表面因其具有空间变化的电、磁偶极子，可以同时产生电磁谐振，拥有任意调控电磁波的能力，受到研究者们极大关注。通常，构建惠更斯超表面的方法有两种：一是金属线加开口谐振环结构。此种方式往往需要借助金属通孔进行设计；另一种是，多层级联堆叠的超表面结构。多数惠更斯超表面采用多层堆叠的方式进行设计。层数越少，单元结构厚度越薄。然而，现阶段提出的微波、太赫兹波段透射型惠更斯超表面在保持高透射率的前提下，同样需要至少三层金属结构才能实现360°透射相位控制。

发明内容

发明目的：为了克服上述难题，本发明提供一种惠更斯超表面单元、透射阵天线及单元相位控制方法。利用所述惠更斯超表面单元设计的透射阵可以将入射球面波有效转化为平面波，且具有超薄高增益的优点。本发明具有超薄单层介质结构，无需打孔设计，易于加工，可以有效应用于设计微波乃至太赫兹波段诸如波束偏折、透射阵等器件，也可用于隐身、成像方面。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种超薄高透射率的惠更斯超表面单元，包括介质基板、位于介质基板上表面的上层金属层和位于介质基板下表面的下层金属层，上层金属层和下层金属层均包括开口金属谐振环，在金属谐振环内部镶嵌有金属贴片，且上层金属层的开口金属谐振环和下层金属层的开口金属谐振环的开口位置反对称。

可选的，通过调节谐振环开口大小和内嵌金属贴片长度，惠更斯超表面单元在保持透射幅值高于-2.5dB时实现360°透射相位控制。

可选的，开口金属谐振环和内嵌的金属贴片形成等效LC谐振，其中，等效电感L来自金属谐振环和金属贴片，等效电容C来自金属谐振环开口以及金属谐振环与内嵌金属贴片两端之间的缝隙。

可选的，上层金属层和下层金属层的金属谐振环的水平横臂的表面电流方向相反，使得上层金属和下层金属层产生等效电流环，形成强磁偶极子谐振；上层金属层和下层金属层的金属贴片的表面电流方向相同，使得惠更斯超表面单元在上层金属层和下层金属层的金属谐振环和金属贴片两端之间的缝隙处会保留强电偶极子谐振。