[发明专利]一种用于电磁波调控的反射式超表面单元结构

说明书

本发明涉及一种用于电磁波调控的反射式超表面单元结构，属于超表面电磁调控技术领域，解决了现有超表面单元结构的工作频带窄、效率低、相位难以调制、以及极化调控单一、使用场景受限的问题。该元结构包括：沿电磁波正入射方向依次排列的矩形导体片、介质层以及导体板，该介质层覆盖导体板，矩形导体片和导体板为该电磁波频段下对应的完美电导体；其中，矩形导体片、介质层和导体板具有相同的几何中心，且矩形导体片的长轴与导体板的水平轴呈预定夹角，预定夹角为矩形导体片的方向角，该方向角与电磁波的幅度和相位相关。该超表面单元结构的工作频带宽、效率高，对相位和幅度的调控灵活，且极化调控方式多样化，能够适用多种使用场景。

技术领域

本发明涉及超表面电磁调控技术领域，尤其涉及一种用于电磁波调控的反射式超表面单元结构。

背景技术

超材料作为一种电磁波调控器件，对电磁波的幅度、相位以及极化都有着一定的调控能力，目前已经实现了在波束偏折、波束聚焦、涡旋波束、贝塞尔波束等方面的应用。然而，随着波束调控需求的不断提升，人们已不满足于电磁波幅度或相位的单一调控，而是追求更多功能、更为灵活的调控方式，这也大大提升了对超材料单元结构的性能要求。超表面作为一种2D形式的超材料，不仅具备电磁波调控功能，而且具备厚度薄、极易实现小型化和集成化等特点，近些年受到了人们的广泛关注。

超表面作为一种可调控的电磁波器件，可用于特殊波束的生成。其中，艾利波束作为一种特殊波束，具有无衍射、自弯曲、自修复等特性，现已成为近些年的研究热点。现有技术中，可通过以下方式生成艾里波束：第一，通过光学器件生成艾里波束，这种方法需要用到大量光学器件，其缺陷是空间使用率低、不易集成等，严重限制了超表面器件的发展。第二，在光频段，可利用介质柱超表面作为结构单元生成艾里波束，这种方法只能实现波束的相位调控，通过空间光的衍射形成艾里波束；同时，通过该方法生成的艾里波束质量比较差，可用的艾里波束范围在传播方向极易受到限制。第三，在微波段及红外波段，通过超表面器件生成双频艾里波束，还可同时生成透射形式和表面等离子激元的艾里波束等。当利用等离子激元产生艾里波束时，由于通过这种方式生成的艾里波束处于金属层表面，因此，极大的限制了波束的使用空间。此外，现有技术中，还存在多种通过复杂的超表面设计生成艾里波束的方法，例如多层膜设计、复杂的贴片形状、多层复杂的惠更斯超表面等，这些复杂设计使得器件加工困难，而且器件本身的功能单一。

现有技术至少存在以下缺陷，一是无法对电磁波的幅度和相位同时调控、以及无法对电磁波的幅度和极化同时调控，且工作频带窄、效率低、调控方式复杂、极化调控方式单一，使用场景受限；二是现有超表面结构通常需要改变其结构尺寸才能实现对相位或对幅度的调控，调控方式灵活度低，且加工难度大，不易集成，提高了制造成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于电磁波调控的反射式超表面单元结构，用以解决现有超表面单元结构的工作频带窄、效率低、相位和幅度难以独立调制、以及极化调控单一、使用场景受限的问题。

一方面，本发明实提供了一种用于电磁波调控的反射式超表面单元结构，包括：沿电磁波正入射方向依次排列的矩形导体片、介质层以及导体板，所述介质层覆盖所述导体板，所述矩形导体片和所述导体板为该电磁波频段下对应的完美电导体；

其中，所述矩形导体片、介质层和导体板具有相同的几何中心，且所述矩形导体片的长轴与导体板的水平轴呈预定夹角，所述预定夹角为矩形导体片的方向角，所述方向角与该电磁波的幅度和相位相关。

进一步的，所述导体片的方向角与线极化入射电磁波转极化反射系数的幅度满足下述关系：

A₁＝A_1(45°)|sin(2θ₁)|，