[发明专利]一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面

说明书

本发明公开了一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面。本发明通过在每个单元上引入预相位，解决了传统1比特超表面在对垂直入射平面波进行波束赋形时会出现对称波束的困难。本发明的1比特超表面利用有一定厚度的介质板，将1比特单元随机放置在两个不同高度的平面，实现相对的预相位差；1比特单元包括金属地和加载十字缝的方形贴片，通过四个矩形贴片连接被十字缝切割的方形贴片实现1比特两个状态之间的切换。本发明能够在平面波入射垂直入射的情况下实现单波束，引入的预相位在改变出射方向无需重新调整，只需切换1比特单元的状态。本发明具有宽带特性、可重构潜力、工程可实现性强等优点。

技术领域

本发明基于目前应用广泛的1比特超表面，利用预相位和宽带1比特单元，给出了一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面的设计和实现方法，属于超表面技术领域。

背景技术

为了实现对平面电磁波的操控，可以对特定模式和频率下的平面波的传播进行控制的超表面近年来被广泛的研究。由于结构简单、易于设计、用较少的二极管就能够实现可重构，1比特超表面成为了重点研究和关注的超表面之一。然而，仅有两个状态的1比特超表面在对平面波进行单波束时，由于超表面上的相位是对称分布的，一般会在空间中出现偶数个对称的波束。在平面波垂直入射的情况下，1比特超表面单波束很难实现。

目前解决这一困难的方法是利用其单元可以四个状态切换的2比特超表面，实现超表面上的相位梯度分布，从而抑制对称波束的出现。但是2比特超表面的设计尤其是可重构2比特超表面的设计，会大大增加超表面结构设计和控制可重构的超表面电路系统设计的复杂度。

发明内容

发明目的：本发明目的在于提供一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，以解决平面波垂直入射情况下，1比特超表面进行波束赋形时，难以实现单波束的困难。

技术方案：本发明所述的一种由平面波垂直入射激励的单波束1比特超表面，通过在1比特超表面的每个单元上引入预相位，实现平面波垂直入射1比特超表面单波束。利用有一定厚度的介质板，将1比特单元随机放置在两个不同高度的平面，利用相对高度差实现相对预相位差。高度的选择取决于介质的介电常数和需要实现的预相位差。所述的1比特单元，包括金属地和加载十字缝的方形贴片，通过四个小矩形贴片连接被十字缝切割的大方形贴片实现1比特两个状态之间的切换，当被十字缝切割的方形贴片不连通时，1比特单元为状态0，当被十字缝切割的方形贴片连通时，1比特单元为状态1。通过两个状态的等效电路模型，在切换两个状态时可以在180°±25°相位差的条件下实现大于35％的相对带宽。单元可工作在TE和TM模式垂直入射的平面波，该单元有实现可重构1比特单元的潜力。

作为优选，所述超表面包括上层介质板，下层介质板，位于上层介质板上的若干加载十字缝的方形贴片，位于上下两层介质板中间的若干加载十字缝的方形贴片，以及底层的金属地板；两层介质板中间对应于上层介质板上的方形贴片位置处为单元金属地；上层介质板上的方形贴片和两层介质板中间的金属地构成顶层的1比特单元，上下两层介质板中间的方形贴片和底层的金属地构成中间层的1比特单元。

作为优选，两层1比特单元的高度差根据介质的介电常数和需要实现的预相位差选择。

作为优选，所实现上层单元和下层单元的预相位之差的范围为80°～100°。

作为优选，介质板厚度为约0.125个中心频率下的介质波长，实现约90°的预相位差。

作为优选，被十字缝切割的方形贴片由四个开关二极管(PIN)连接，实现可重构的1比特单元。

有益效果：本发明基于阵列综合原理引入预相位，实现平面波入射单波束；将单元随机放置在两种不同的高度上，利用高度差，实现预相位差；并基于电路模型，设计和优化1比特单元，完成了整个1比特超表面的设计。与现有的1比特超表面相比，本发明具有如下优点：