本發(fā)明實(shí)施例涉及本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種相位梯度超表面單元、超單元以及反射陣列。

背景技術(shù)：

電磁波是電磁場(chǎng)的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，變動(dòng)的電會(huì)產(chǎn)生磁，變動(dòng)的磁則會(huì)產(chǎn)生電，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)不可分離的統(tǒng)一的場(chǎng)，這就是電磁場(chǎng)，而變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播形成了電磁波。電磁波為橫波，可用于探測(cè)、定位、通信，在應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)入射電磁波的反射角度進(jìn)行調(diào)控。

超材料是指通過亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的、具有自然界材料所不具備的超常物理特性的新型人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或者復(fù)合材料，能夠?qū)崿F(xiàn)自然材料所不能實(shí)現(xiàn)的特性或者功能。超表面是超材料的二維平面情形，例如相位梯度超表面可以調(diào)控電磁波的反射或者折射路徑，而具有相同單元結(jié)構(gòu)的超表面可以實(shí)現(xiàn)空間濾波的功能。傳統(tǒng)的光學(xué)元件都是利用在電磁波傳播路徑上連續(xù)相位積累來改變波束的傳播方向，這使得其存在體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。同傳統(tǒng)的光學(xué)元件相比，相位梯度超表面可以在界面不同位置引入不同的相位突變，通過對(duì)這些相位突變進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制反射波束和折射波束的方向。在這種情況下，電磁波傳播不再遵守經(jīng)典的反射定律和折射定律，而是遵守廣義反射定律和折射定律。這樣通過設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)超表面單元結(jié)構(gòu)的尺寸實(shí)現(xiàn)對(duì)反射波和透射波的自由控制，極大地減小了器件的厚度和體積，其在現(xiàn)代隱身通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)有技術(shù)中，超表面反射陣列只能在較窄的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波反射角度的調(diào)控，并且反射率也不是很理想，另外，現(xiàn)有的超表面反射陣列很多不能實(shí)現(xiàn)電磁波極化偏轉(zhuǎn)的功能或是電磁波極化偏轉(zhuǎn)率很低。因此研發(fā)一款反射率高，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波極化偏轉(zhuǎn)的功能的反射陣列成為亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，一種相位梯度超表面單元、超單元以及反射陣列。

一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種相位梯度超表面單元，包括介質(zhì)板，所述介質(zhì)板包括第一正方形表面和與所述第一正方形表面相對(duì)的第二正方形表面，所述第一正方形表面上設(shè)置有s形金屬貼片，所述第二正方形表面上設(shè)置有金屬接地板。

另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種超單元，包括2n個(gè)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的超表面單元，其中n≥1，且為整數(shù)，所述2n個(gè)超表面單元以第一正方形表面為正面順序排列，所述2n個(gè)超表面單元中的s形金屬貼片的缺口距離或缺口方向不同，以使得對(duì)入射波調(diào)制的波形相位變化量為0度到360度。

再一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種反射陣列，包括多個(gè)權(quán)利要求5-8任一項(xiàng)所述的超單元，所述多個(gè)超單元以第一正方形表面為正面順序排列。

本發(fā)明實(shí)施例提供的相位梯度超表面單元、超單元以及反射陣列，通過在介質(zhì)板上設(shè)置s形金屬貼片，并改變s形金屬貼片的缺口距離和缺口方向，使得對(duì)入射波調(diào)制的波形相位變化量為0度到360度。并且由相位梯度超表面單元組成的反射陣列，對(duì)反射電磁波具有很好地角度調(diào)控功能，同時(shí)提高了電磁波調(diào)控的反射率，還可以改變電磁波的極化方向，具有極化偏轉(zhuǎn)性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中相位梯度超表面單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中相位梯度超表面單元的主視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中超單元的主視圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中超單元對(duì)電磁波反射調(diào)控的反射相位變化圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的超單元對(duì)電磁波反射調(diào)控的反射率變化圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中反射陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中又一反射陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中反射陣列的電磁波角度調(diào)控電場(chǎng)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例中描述的相位梯度超表面單元是指基于相位梯度超表面的一種單元結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱超表面單元，超單元是指由超表面單元組成的一種結(jié)構(gòu)，反射陣列是指包括上述超單元的一種用于電磁波反射角度調(diào)控的裝置。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中相位梯度超表面單元的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種相位梯度超表面單元包括介質(zhì)板1，介質(zhì)板1包括第一正方形表面和與所述第一正方形表面相對(duì)的第二正方形表面，所述第一正方形表面上設(shè)置有s形金屬貼片2，所述第二正方形表面上設(shè)置有金屬接地板3。

具體地，超表面單元包括介質(zhì)板1，介質(zhì)板1至少包括兩個(gè)正方形表面即：第一正方形表面和與第一正方形表面相對(duì)的第二正方形表面，也就是說介質(zhì)板1是長(zhǎng)方體或立方體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實(shí)施例中介質(zhì)板1采用的是長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其中第一正方形表面和與第二正方形表面的寬l＝5mm，介質(zhì)板1的厚度d＝3mm，此處介質(zhì)板1的厚度不包括s形金屬貼片2和金屬接地板3的厚度，介質(zhì)板1的介電常數(shù)為2.65，當(dāng)然介質(zhì)板1的具體參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行設(shè)置，本分明實(shí)施例不作具體限定。在第一正方形表面上設(shè)置有s形金屬貼片2，在與第一正方形表面相對(duì)的第二正方形表面上設(shè)置有金屬接地板3，金屬接地板3的長(zhǎng)和寬與第二正方形表面相同。其中，介質(zhì)板1的材質(zhì)可以采用聚四氟乙烯，s形金屬貼片2和金屬接地板3可以根據(jù)實(shí)際使用情況選用金、銀等金屬，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)介質(zhì)板1、s形金屬貼片2和金屬接地板3的材質(zhì)不作具體限定。

本發(fā)明實(shí)施例提供的相位梯度超表面單元，通過在介質(zhì)板的正方形表面上設(shè)置s形金屬貼片，可以改變電磁波的極化方向，實(shí)現(xiàn)了電磁波極化偏轉(zhuǎn)的功能。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中相位梯度超表面單元的主視圖，如圖2所示，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，s形金屬貼片2包括兩個(gè)大小相同且缺口距離相同的圓形金屬貼片。

具體地，s形金屬貼片2包括兩個(gè)圓形金屬貼片，兩個(gè)圓形金屬貼片相切，大小相同，并且缺口距離g相同，其中缺口距離是指，過兩個(gè)圓形金屬貼片的切點(diǎn)，作一條與缺口的另一端相平行的直線，從缺口的另一端到所述直線的垂直距離即為缺口距離，具體參見圖2中的缺口距離g。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，s形金屬貼片2的幾何中心與所述第一正方形表面的幾何中心重合。

具體地，如圖2所示，s形金屬貼片2的幾何中心為兩個(gè)圓形金屬貼片的切點(diǎn)，所述切點(diǎn)與介質(zhì)板1的第一正方形表面的幾何中心重合。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，s形金屬貼片2的厚度和金屬接地板3的厚度相同。

具體地，本發(fā)明實(shí)施例中s形金屬貼片2的厚度和金屬接地板3的厚度的均為0.018mm，具體使用時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置s形金屬貼片2的厚度和金屬接地板3的厚度，本發(fā)明實(shí)施例不作具體限定。

本發(fā)明實(shí)施例提供的相位梯度超表面單元，通過在介質(zhì)板的正方形表面上設(shè)置由兩個(gè)大小相同且缺口距離相同的圓形金屬貼片組成的s形金屬貼片，可以改變電磁波的極化方向，實(shí)現(xiàn)了電磁波極化偏轉(zhuǎn)的功能。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中超單元的主視圖，如圖3所示，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，本發(fā)明實(shí)施例提供一種超單元，包括2n個(gè)超表面單元，其中n≥1，且為整數(shù)，所述2n個(gè)超表面單元以第一正方形表面為正面順序排列，所述2n個(gè)超表面單元中的s形金屬貼片的缺口距離或缺口方向不同，以使得對(duì)入射波調(diào)制的波形相位變化量為0度到360度。

具體地，超單元包括2n個(gè)順序排列的超表面單元，其中n為正整數(shù)，如圖3所示，2n個(gè)超表面單元均是以s形金屬貼片所在的第一正方形表面為正面，并且其中2n個(gè)s形金屬貼片的缺口距離或缺口方向不同，其中缺口方向不同是指缺口位于圓形金屬貼片的位置不同，其中2n個(gè)s形金屬貼片對(duì)入射波調(diào)制的波形相位變化量為0度到360度。本發(fā)明實(shí)施例中超單元包括6個(gè)上述超表面單元((1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6))，超單元的長(zhǎng)度l＝30mm，具體使用時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適數(shù)量的超表面單元，本發(fā)明實(shí)施例不作具體限定。

本發(fā)明實(shí)施例提供的超單元，由上述多個(gè)超表面單元組成，并且多個(gè)超表面單元中的多個(gè)s形金屬貼片對(duì)入射波調(diào)制的波形相位變化量覆蓋了0度到360度，當(dāng)電磁波入射到超單元上時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波反射角度的調(diào)控，并且反射率高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電磁波極化偏轉(zhuǎn)的功能。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述2n個(gè)超表面單元的前n個(gè)超表面單元中的s形金屬貼片的缺口距離不同，并且第i+n個(gè)s形金屬貼片的缺口尺寸與第i個(gè)s形金屬貼片的缺口距離相同，其中1≤i≤n，且為整數(shù)。

具體地，如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例中超單元包括6個(gè)上述超表面單元，因此就包括6個(gè)s形金屬貼片，n＝3，前3個(gè)s形金屬貼片的缺口距離不同，依次是l1＝0.20mm，l2＝1.41mm，l3＝2.40mm，并且第4個(gè)s形金屬貼片的缺口距離與第1個(gè)s形金屬貼片的缺口距離相同，第5個(gè)s形金屬貼片的缺口距離與第2個(gè)s形金屬貼片的缺口距離相同，第6個(gè)s形金屬貼片的缺口距離與第3個(gè)s形金屬貼片的缺口距離相同，即l4＝l1＝0.20mm，l5＝l2＝1.41mm，l6＝l3＝2.40mm。需要說明的是，缺口距離可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，本發(fā)明實(shí)施例不作具體限定。

本發(fā)明實(shí)施例提供的超單元，通過改變s形金屬貼片的缺口距離，來改變s形金屬貼片對(duì)入射波調(diào)制的波形相位變化量，提高對(duì)電磁波調(diào)制的反射率，并實(shí)現(xiàn)電磁波極化偏轉(zhuǎn)的功能。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述第i+n個(gè)s形金屬貼片的缺口方向與所述第i個(gè)s形金屬貼片繞所述第i個(gè)s形金屬貼片的幾何中心旋轉(zhuǎn)預(yù)設(shè)角度后的缺口方向相同。

具體地，如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例中超單元包括6個(gè)上述超表面單元，因此就包括6個(gè)s形金屬貼片，n＝3，其中第4個(gè)s形金屬貼片的缺口方向與第1個(gè)s形金屬貼片繞其幾何中心旋轉(zhuǎn)90度后的缺口方向相同，同樣地，第5個(gè)s形金屬貼片的缺口方向與第2個(gè)s形金屬貼片繞其幾何中心旋轉(zhuǎn)90度后的缺口方向相同，第6個(gè)s形金屬貼片的缺口方向與第3個(gè)s形金屬貼片繞其幾何中心旋轉(zhuǎn)90度后的缺口方向相同。實(shí)際上，后3個(gè)s形金屬貼片是前3個(gè)s形金屬貼片繞其幾何中心旋轉(zhuǎn)90度后得到的。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述2n個(gè)s形金屬貼片中的圓形金屬貼片的內(nèi)圓半徑相等，外圓半徑相等。

具體地，2n個(gè)超表面單元上的2n個(gè)s形金屬貼片都是由兩個(gè)大小相同的圓形金屬貼片組成，并且每一個(gè)圓形金屬貼片的內(nèi)圓半徑r1和外圓半徑r2分別相等。本發(fā)明實(shí)施例中內(nèi)圓半徑r1都為1mm，外圓半徑r2都為1.2mm。需要說明的是，其中內(nèi)圓半徑和外圓半徑的具體數(shù)值可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，本發(fā)明實(shí)施例不作具體限定。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的超單元對(duì)電磁波反射調(diào)控的反射相位變化圖，圖中橫坐標(biāo)表示電磁波的頻率，縱坐標(biāo)表示反射相位。如圖4所示，圖中有六條線分別表示不同超表面單元對(duì)電磁波反射調(diào)控的反射相位變化，從圖4中可以看出，當(dāng)電磁波入射到由6個(gè)超表面單元組成的超單元時(shí)，在8.5-20ghz的頻率范圍內(nèi)，相鄰的超表面單元反射相位間隔都在60度左右，且超單元對(duì)電磁波反射調(diào)控的反射相位變化覆蓋了0度到360度。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的超單元對(duì)電磁波反射調(diào)控的反射率變化圖，圖中橫坐標(biāo)表示電磁波的頻率，縱坐標(biāo)表示反射率。如圖5所示，圖中有6條線分別表示不同超表面單元的對(duì)電磁波反射調(diào)控的反射率的變化，但是其中第1條線與第4條線重合，第2條線與第5條線重合，第3條線與第6條線重合，因此圖中實(shí)際上只能看到3條線。當(dāng)電磁波入射到由6個(gè)超表面單元組成的超單元時(shí)，在8.5-20ghz的頻率范圍內(nèi)，可以看出六個(gè)超表面單元都具有較高的的反射率。

本發(fā)明實(shí)施例提供的超單元，包括多個(gè)超表面單元，通過改變超表面單元上的s形金屬貼片的缺口距離和缺口方向，來改變每一個(gè)超表面單元對(duì)入射波調(diào)制的波形相位變化量以及反射率，從而提高超單元對(duì)電磁波調(diào)制的反射率，并實(shí)現(xiàn)了電磁波極化偏轉(zhuǎn)的功能。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中反射陣列結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，本發(fā)明實(shí)施例提供一種反射陣列，包括：多個(gè)超單元，所述多個(gè)超單元以第一正方形表面為正面順序排列。

具體地，如圖6所示，反射陣列包括24個(gè)上述超單元，并且每一個(gè)超單元都是以s形金屬貼片所在的第一正方形表面為正面順序排列，具體的超單元數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，本發(fā)明實(shí)施例不做具體限定。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述多個(gè)超單元以所述第一正方形表面為正面順序排列成多行多列。

具體地，多個(gè)超單元以第一正方形表面為正面順序排列成多行多列，如圖6所示，24個(gè)超單元可以排列成12行2列，需要說明的是，反射陣列中的多個(gè)超單元還可以排列成其他行數(shù)和列數(shù)，如多行1列、1行多列等，本發(fā)明實(shí)施例不做具體限定。圖7為本發(fā)明實(shí)施例中又一反射陣列結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示，反射陣列包括6個(gè)超單元，排列成6行1列。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中反射陣列的電磁波角度調(diào)控電場(chǎng)示意圖，本發(fā)明實(shí)施例采用頻率為14ghz電磁波垂直入射到反射陣列上，如圖8所示，本發(fā)明提供的反射陣列對(duì)反射電磁波具有很好地角度調(diào)控功能。需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例采用的是頻率為14ghz電磁波垂直入射到反射陣列上，實(shí)際使用時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例提供的反射陣列還可以對(duì)其他頻率或入射角度的電磁波進(jìn)行調(diào)控，本發(fā)明實(shí)施例不作具體限定。

本發(fā)明實(shí)施例提供的相位梯度超表面單元、超單元以及反射陣列，通過在介質(zhì)板上設(shè)置s形金屬貼片，并改變s形金屬貼片的缺口距離和缺口方向，使得對(duì)入射波調(diào)制的波形相位變化量為0度到360度。并且由相位梯度超表面單元組成的反射陣列，對(duì)反射電磁波具有很好地角度調(diào)控功能，同時(shí)提高了電磁波調(diào)控的反射率，還可以改變電磁波的極化方向，具有極化偏轉(zhuǎn)性能。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。