同时调控表面波和传播波的新型人工电磁表面及制作方法

摘要

本发明公开了一种同时调控表面波和传播波的新型人工电磁表面及其制备方法，包括按照一定顺序设置的介质基板、金属层和表面结构；所述表面结构由尺寸不同的方形贴片组成两个相邻的圆形区域；在一个圆形区域，方形贴片组成一表面波龙伯透镜，在另一个圆形区域，方形贴片组成一基于全息光学的人工表面。本发明利用表面龙波透镜控制表面波，利用全息表面调控辐射波，实现了表面波和辐射波的转换。同时，将两者结合在一起，实现了同时控制表面波和辐射波的目的。本发明可以作为表面波信息处理系统的终端，用来接收和辐射携带信息的电磁波，并可以通过缩放尺寸使其应用在不同频段。

权利要求

1.一种同时调控表面波和传播波的新型人工电磁表面的制作方法，其特征在于，新型人工电磁表面包括按照一定顺序设置的介质基板、金属层和表面结构；所述表面结构由尺寸不同的方形贴片组成两个相邻的圆形区域；在一个圆形区域，方形贴片组成一表面波龙伯透镜，在另一个圆形区域，方形贴片组成一基于全息光学的人工表面；

在表面波龙伯透镜区域，其表面折射率ns分布如下：

其中RL为龙伯透镜半径，r为透镜中某点与透镜中心的距离；

制作方法包括如下步骤：

表面波与微波全息图的相互作用满足阻抗边界条件为：

其中 为表面电流，ZS为表面阻抗， 和 分别为横向电场和横向磁场；如果用一个位于原点的单极子天线来激发参考表面波，则表面电流可以写成如下的柱面波形式：其中，n为一个常数，代表由表面电流所“看”到的整个微波全息干涉图的等效表面折射率，假设所需要的目标辐射波为 调控表面阻抗ZS使之满足如下分布：这个调制的表面阻抗分布构成了微波全息干涉图，其中X为表面阻抗的平均值，n的取值与这个平均值有关，M为调制指数；

根据阻抗边界条件，得到：

其中第一项和第三项是表面波，第二项正比于需要的目标辐射波，由此，通过调制表面阻抗来记录微波全息干涉图，然后用参考波与干涉图相互作用，进而重建了需要的目标辐射波；

得到表面折射率和表面阻抗的理论分布后，利用新型人工电磁表面来具体实现表面折射率和表面阻抗的分布。

说明书

同时调控表面波和传播波的新型人工电磁表面及制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及人工电磁材料，尤其是一种可以同时调控表面波和传播波的新型人工电磁表面，可以用于微波，毫米波和太赫兹等波段。

背景技术

[0002] 新型人工电磁表面为人们调控电磁波提供了丰富的手段，但人们在利用新型人工电磁表面调控电磁波时，通常将调控表面波和调控辐射波分开来进行，对于一个具有信息传播和信息处理的系统来说，我们通常处理表面波携带的信息，而利用传播波来传播这些信息，这样就要求有一种合适的表面波和传播波的转换装置。

发明内容

[0003] 发明目的：提供一种可以同时调控表面波和传播波的人工电磁表面，以解决现有技术的上述问题。

[0004] 技术方案：一种同时调控表面波和传播波的新型人工电磁表面，包括按照一定顺序设置的介质基板、金属层和表面结构；所述表面结构由尺寸不同的方形贴片组成两个相邻的圆形区域；在一个圆形区域，方形贴片组成一表面波龙伯透镜，在另一个圆形区域，方形贴片组成一基于全息光学的人工表面。

[0005] 在表面波龙伯透镜区域，其表面折射率ns分布如下：

[0006]

[0007] 其中RL为龙伯透镜半径，r为透镜中某点与透镜中心的距离。

[0008] 所述的同时调控表面波和传播波的新型人工电磁表面的制作方法，包括如下步骤：

[0009] 步骤1：建立新型人工电磁表面的单元结构尺寸与表面折射率和表面阻抗的关系；

[0010] 步骤2：按照表面折射率和表面阻抗的分布排列不同尺寸的单元结构。

[0011] 有益效果：本发明利用表面龙波透镜控制表面波，利用全息表面调控辐射波，实现了表面波和辐射波的转换。同时，将两者结合在一起，实现了同时控制表面波和辐射波的目的。本发明可以作为表面波信息处理系统的终端，用来接收和辐射携带信息的电磁波，并可以通过缩放尺寸使其应用在不同频段。

附图说明

[0012] 图1是本发明的结构原理图。

[0013] 图2是图1中A处的放大示意图。

[0014] 图3是图1中B处的放大示意图。

[0015] 图4是是将激励点源置于两个圆形部分接触点的示意图。

[0016] 图5是用喇叭激励新型人工电磁表面的示意图。

[0017] 图6是单元结构的表面折射率。

[0018] 图7是单元结构的表面折射率和表面阻抗与单元结构尺寸的关系。

[0019] 图8是本发明的贴片尺寸分布。

[0020] 图9是本发明的结构示意图。

[0021] 图10是将激励点源置于两个圆形部分接触点时的仿真和测试结果。

[0022] 图10(a)是仿真的xoy面Ez分布。

[0023] 图10(b)是仿真的yoz面上的Ex分布。

[0024] 图10(c)是仿真的xoz面上的Ex分布。

[0025] 图10(d)是测试的xoy面Ez分布。

[0026] 图10(e)是测试的yoz面上的Ex分布。

[0027] 图10(f)是测试的xoz面上的Ex分布。

[0028] 图11是用喇叭激励新型人工电磁表面时的仿真和测试结果。

[0029] 图11(a)是仿真的xoy面Ez分布。

[0030] 图11(b)是测试的xoy面Ez分布。

[0031] 图11(c)是仿真的xoz面上的Ey分布。

[0032] 图11(d)是仿真的xoz面Ex分布。

具体实施方式

[0033] 如图1所示，本发明包含两个圆形部分，其中小圆是表面龙伯透镜，大圆部分是微波全息表面。对于小圆部分，我们基于几何光学得到其表面折射率ns分布：

[0034]

[0035] 其中RL为龙伯透镜半径，r为透镜中某点与透镜中心的距离。

[0036] 对于大圆部分，我们基于微波全息技术得到其表面阻抗的分布。参考波可以是由激励天线产生的表面波，而物波对应于我们需要的辐射场，参考表面波和物波相互干涉产生微波全息干涉图，这种干涉图通常由许多散射体组成，参考波与这些散射体相互作用可以产生我们需要的辐射场。全息摄影中的胶片用曝光强度来记录干涉图，这里我们用表面阻抗的大小来记录微波全息图。参考表面波与微波全息图的相互作用满足阻抗边界条件：

[0037]

[0038] 其中 为表面电流，ZS为表面阻抗， 和 分别为横向电场和横向磁场。如果我们用一个位于原点的单极子天线来激发参考表面波，那么随之产生的表面电流可以写成如下的柱面波形式：

[0039]

[0040] 其中n为一个常数，代表由表面电流所“看”到的整个微波全息干涉图的等效表面折射率。假设所需要的目标辐射波为 我们调控表面阻抗ZS使之满足如下分布：

[0041]

[0042] 这个调制的表面阻抗分布构成了微波全息干涉图，其中X为表面阻抗的平均值(n的取值通常与这个平均值有关)，M为调制指数。根据阻抗边界条件，可以得到：

[0043]

[0044] 其中第一项和第三项是表面波，第二项正比于我们需要的目标辐射波。由此，我们通过调制表面阻抗来记录微波全息干涉图，然后用参考波与干涉图相互作用，进而重建了我们需要的目标辐射波。

[0045] 得到表面折射率和表面阻抗的理论分布后，可以利用新型人工电磁表面来具体实现这些分布。即，首先建立新型人工电磁表面的单元结构尺寸与表面折射率和表面阻抗的关系，然后按照表面折射率和表面阻抗的分布来排列不同尺寸的单元结构，形成我们设计的功能型新型人工电磁表面。

[0046] 如图1和图9所示，本发明包含两个圆形表面结构部分，图中左边较小的圆形部分为表面龙波透镜，右边较大的圆形部分为全息表面，每个部分都是由大量不同大小的方形贴片构成。对表面透镜分布(即小圆部分)，不同的贴片尺寸对应不同的表面折射率，并满足龙伯透镜的折射率分布；对全息表面部分，不同的贴片尺寸对应不同的表面阻抗，并满足我们所设计的全息表面的表面阻抗分布。

[0047] 图2和图3是本发明的功能示意图，为了说明本发明的功能，用两种激励方法：

[0048] 如图4所示，一个探针被置于两个圆形部分的接触点，此时左边的表面龙波透镜上将激励起器表面波，随后表面波被表面龙波透镜定向辐射出去；而右边的全息表面上将激励起漏波辐射，这些辐射波将会在全息表面的上方汇聚成一点。

[0049] 如图5所示，一个沿x方向极化的喇叭天线作为激励源放置于全息表面的汇聚点，此时喇叭首先在全息表面激励起漏波，这个漏波被汇聚到两个圆形结构的接触点，随后被表面龙伯透镜耦合为定向转播的表面波。

[0050] 由于是通过新型人工电磁表面来实现转换装置，首先研究组成新型人工电磁表面的单元结构的特性。

[0051] 单元结构由顶层方形贴片、中间介质板和底层金属地构成，这种结构支持TM模式的表面波。图6中的实线是我们仿真得到的单元结构在不同尺寸下的色散曲线，对于TM模式表面波，可以得到表面折射率和表面阻抗如下：

[0052] ns＝ks/k0   (6)

[0053]

[0054] 我们选择15GHz作为工作频率，利用仿真得到的不同贴片尺寸下的色散曲线以及式(6)和式(7)，可以得到单元结构的表面阻抗和表面折射率与单元结构尺寸的对应关系。

[0055] 图7给出了这种关系的曲线图，其中星点实线代表表面阻抗，圆点实线代表表面折射率。得到了单元结构的尺寸与表面阻抗和表面折射率的对应关系后，可以按照前面介绍的设计方法来设计具体的转换装置。

[0056] 设计中，表面龙伯透镜的半径取为45mm。全息表面部分的半径为75mm，干涉图由位于原点(大圆和小圆的接触点)的点源和位于全息表面正上方280mm的点源干涉而成，根据式(1)和式(4)便可以得到本发明的表面折射率和表面阻抗的具体分布，然后根据图5中单元结构的尺寸与表面阻抗和表面折射率的对应关系，便可以得到新型人工电磁表面中贴片尺寸的分布图(如图8所示)，从而得到了新型人工电磁表面的实际结构(如图9所示)。

[0057] 图10a至图10f显示了将激励点源置于两个圆形部分接触点时的仿真和测试结果。图10a是仿真的xoy面Ez分布；图10d是测试的xoy面Ez分布。我们可以看到左边的表面波龙伯透镜实现了将点源的能量定向传播的功能。图10b和图10e分别是仿真和测试的yoz面上的Ex分布；图10c和10f分别是仿真和测试的xoz面上的Ex分布。我们可以看到右边的全息表面部分实现了将表面点源的能量汇聚于全息表面上方的功能。

[0058] 图11a至图11d是用喇叭激励新型人工电磁表面时的仿真和测试结果。图11a和11b分别是仿真和测试的xoy面Ez分布；可以看到喇叭的能量首先被全息表面汇聚于两个圆形部分的接触部分，然后由左边的表面龙伯透镜部分定向辐射出去。图11c是仿真的xoz面上的Ey分布；图11d是仿真的xoz面Ex分布；从图中可以清晰的看到metasurface表面被激发的表面波。

[0059] 本发明具备几下几个特点：具有定向耦合性，即能将空间辐射波定向的转换成表面波；对辐射波的形状没有要求，即能应用于不同的辐射波形状；转换装置易于设计和实现，具有非常好的应用价值。

[0060] 总之，本发明基于新型人工电磁表面的表面波和辐射波的转换装置，通过将表面波的调控和辐射波的调控结合在一起，实现表面波和辐射波的同时调控。本发明作为一种实施方案，具体目的即将定向表面波转换成汇聚于空间中的辐射波，反之，将空间中点源的辐射波转换成定向表面波。

[0061] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

[0062] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

[0063] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。