[发明专利]一种具有可编程的极化转换透射式基本单元及超表面

说明书

本发明公开了一种具有可编程的极化转换透射式超表面单元，包括依次设置的顶层金属结构层、上层介质层、上层金属地、中间介质层、下层金属地、下层介质层和底层金属结构层；表层金属结构层包括第一圆形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第一金属导线与第二金属导线均与第一圆形贴片边框相接，第一金属导线与第二金属导线之间嵌入了顶层单刀双掷开关；底层金属结构包括第二圆形贴片、第三金属导线和第四金属导线，第三金属导线与第四金属导线均与第二圆形贴片边框相接，第三金属导线与第四金属导线之间嵌入了底层单刀双掷开关。顶层金属结构层、上层介质层、上层金属地与下层金属地、下层介质层和底层金属结构层关于中间介质层镜面对称。本发明采用嵌入了单刀双掷开关的基本单元，通过切换单刀双掷开关的工作状态，实现电磁波传输的极化调控。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种在微波段具有可编程的极化转换透射式电磁编码超材料。

背景技术

超材料是一种三维的人工合成结构，与天然材料相比，其具有独特的电磁特性。而超表面是一种二维超材料，通过合理地设计材料的结构，其可以灵活地对电磁波进行调控。因此超材料在吸波、波前调控和计划转换等方面有相当大的应用潜力。以往的模拟超表面通常采用有效介质来描述其电磁特性，而近些年，提出了数字编码超表面，其通过将物理参数数字化从而实现对电磁波的高效调控。

极化在信号传输中承载着诸多的信息，因此它在电磁波特性中占据重要地位。在实际应用中，无论是从通信到成像，极化调控都是极为重要的。为了控制电磁波的极化方向，近期的研究提出了各种无源和有源的可重构极化转换器。其中，无源的转换器，采用非对称波导以实现极化转换；而有源的转换器，则通常采用PIN二极管来实现不同极化状态的转换。

然而，以上提及的超表面，大多只能实现一种极化状态转换，不能灵活地调控极化方向，并且极化调控在数字编码超表面中很少被涉及。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有可编程的极化转换透射式基本单元及超表面，通过控制单刀双掷开关的工作状态，来实现对入射电磁波极化状态的调控。设计特定的数字编码阵列，并通过FPGA控制每个编码单元的工作状态，从而能够灵活地调控传输电磁波的线极化方向。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有可编程的极化转换透射式基本单元，基本单元包括自上而下设置的顶层金属结构层、上层介质层、上层金属地、中间介质层、下层金属地、下层介质层和底层金属结构层；顶层金属结构包括贴附于上层介质层上表面的第一圆形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第一金属导线与第二金属导线均与第一圆形贴片边框相接，第一金属导线与第二金属导线之间嵌入了顶层单刀双掷开关；底层金属结构包括贴附于下层介质层下表面的第二圆形贴片、第三金属导线和第四金属导线，第三金属导线与第四金属导线均与第二圆形贴片边框相接，第三金属导线与第四金属导线之间嵌入了底层单刀双掷开关。

进一步的，所述基本单元的周期边长a为39-41mm，所述第一圆形贴片和第二圆形贴片的直径R为26.3-26.5mm；所述上层介质层和下层介质层的厚度h均为0.9-1.1mm，中间介质层的厚度h1为0.4-0.6mm，上层介质层、中间介质层和下层介质层的介电常数均为4.1-4.5，损耗角正切均为0.0005-0.0065，且均采用相同介质。

优选的，所述基本单元的周期边长a为40mm；所述第一圆形贴片和第二圆形贴片的直径R为26.4mm；所述上层介质层和下层介质层的厚度h均为1mm，中间介质层的厚度h1为0.5mm。

一种基本单元组成的超表面，所述超表面包括N×N个基本单元，N为非零正整数，N×N个基本单元采用方形矩阵排列。