[发明专利]一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面及其设计方法

说明书

本发明公开了一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面及其设计方法，超表面包括各向异性反射式二比特编码超表面与馈源，馈源分别沿两正交极化方向放置，以分别辐射两种正交极化的电磁波；各向异性反射式二比特编码超表面包括P×Q个尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元，按照既定功能所对应的编码序列对尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元进行排列，根据具体功能选取馈源种类并确定超表面与馈源的距离，从而超表面在两种正交极化的电磁波激励下，分别对反射电磁波的波前按需进行调控。本发明首次实现了近场高阶轨道角动量涡旋波与远场多波束劈裂的功能组合，验证了其对电磁波的灵活调控。

技术领域

本发明属于双功能电磁功能器件领域，具体涉及一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面及其设计方法。

背景技术

在过去近20年内，超材料因它出众的波前调控能力引起了社会的广泛关注，也因此得到了飞速的发展。然而，超材料难以实现的等效参数、复杂的三维结构及较高的材料损耗导致其难以被应用于实际生产。超表面，作为一种二维形式的超材料，由于其在一个方向上的厚度为亚波长尺寸，因此其对电磁波的调控机理已经不再受限于三维超材料的等效媒质理论。在2011年，一种基于梯度相位的超表面被提出并实现了反射电磁波的异常反射、折射，即实现了广义斯涅耳反射、折射定律。所述基于梯度相位的超表面由许多超表面单元组成，在超表面的一个或多个方向上，对超表面单元按照梯度变化的反射或透射相位响应进行排列，当电磁波入射到超表面时，其具有梯度变化规律的相位突变使得入射电磁波实现了异常反射、折射。在梯度相位超表面出现之后，其对电磁波的强大而又自由的调控能力引起了科学界的关注。在此之后，研究人员们基于梯度相位超表面的设计思路实现了空间波到表面波的完美转换、对电磁波的完美透射以及宽频带内对电磁波的幅度相位同时调控。

最近，编码超表面由于其对超表面单元独特的状态划分而获得业界的广泛关注。所述编码超表面由许多超表面单元构成，超表面单元的反射或透射相位响应在一个周期内被等间隔划分为比特形式，例如具有相位响应“0”和“180°”的单元被分别定义为状态“0”和“1”，由这两个单元构成的编码超表面被称作一比特编码超表面；同理，具有相位响应“0”、“90°”、“180°”和“270°”的单元被分别定义为“00”、“01”、“10”和“11”，由这四个单元构成的编码超表面被称作二比特编码超表面。编码超表面对超表面单元的电磁响应进行了比特量化，通过对不同状态的超表面单元进行预定功能的编码排列，即可实现对电磁波的既定调控。相较于传统的梯度相位超表面，这种对超材料单元的编码方式大大减小了设计的复杂度，使得对超表面的设计更加灵活，并且能够保证对电磁波良好的调控效果。

各向异性超表面由许多各向异性超表面单元组成，所述各向异性超表面单元在不同极化的电磁波激励下表现出不同的电磁响应。在既定极化的入射电磁波激励下，各向异性超表面可以对同极化电磁波进行独立的调控，且几乎不产生交叉极化电磁响应。由于具有高度的极化独立性，各向异性超表面已被用来对不同极化的电磁波进行独立且高效的调控，简化了多功能电磁器件的设计难度。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提出一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面及其设计方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种各向异性反射式二比特双功能编码超表面，包括各向异性反射式二比特编码超表面与馈源,馈源为线极化馈源，馈源的极化方向分别与两正交极化方向对齐放置，从而分别辐射两种正交极化的电磁波；各向异性反射式二比特编码超表面包括P×Q个尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元，按照既定功能所对应的编码序列对尺寸参数各不相同的各向异性反射式二比特编码超表面单元进行排列，根据既定功能选取馈源种类并确定超表面与馈源的距离，从而超表面在两种正交极化的电磁波激励下，分别对反射电磁波的波前进行调控，以实现既定的功能。