本发明属于超表面电磁调控技术领域，具体为一种基于几何贝尔相位的三功能超表面集成器件及其设计方法。本发明器件由M*M个超表面单元周期延拓组成；超表面单元为三层金属结构，由上中下三层金属和两层介质板交替层叠构成；其中，上下层金属结构均包含双开口环谐振器和折叠H形结构两种亚波长单元结构，中间层金属结构为刻蚀闭合圆环槽的地板结构；双开口环谐振器工作频段为f1，折叠H形结构工作频段为f2；器件在前向激发时，f1处实现反射电磁功能F1，f2处实现反射电磁功能F2；后向激发时，f1处实现反射电磁功能F3，f2处实现反射电磁功能F2。本发明三功能集成器件可以提供透、反射一体的全空间电磁操控与功能，具有集成度高、体积小、效率高等优势。
1.一种基于几何贝尔相位的超表面三功能集成器件，其特征在于，由M*M个具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距周期延拓组成；所述超表面单元为方形且周期均为p；
超表面单元为三层金属结构，由上、中、下三层金属和两层介质板交替层叠构成；其中，上、下层金属结构均包含双开口环谐振器和折叠H形结构两种亚波长单元结构，而且双开口环谐振器将折叠H形结构包住，构成外、内布局；所述折叠H形结构由两端2个对称的U形结构和中间十字结构组成；中间层金属结构为刻蚀闭合圆环槽的地板结构；双开口环谐振器工作频段为f1，折叠H形结构工作频段为f2；三功能集成器件在前向激发时，f1处实现具有波束偏折的反射电磁功能F1，f2处实现具有产生涡旋波束的透射电磁功能F2；后向激发时，f1处实现具有波束聚焦的反射电磁功能F3，f2处实现具有产生涡旋波束的透射电磁功能F2；记上、中、下三层金属结构为ABA结构。
2.根据权利要求1所述的基于几何贝尔相位的超表面三功能集成器件，其特征在于，记三层超表面单元的结构参数如下：双开口环谐振器的内半径为R、环宽与开口宽度为k和s；
折叠H形结构的线宽度均为k，其中U形结构长度和高度分别为a和b，折叠H形结构中十字结构的长边和短边分别为a+2*k和c，中间层闭合圆环槽的内半径和宽带分别为Rs和ks；上述结构参数满足关系：R>2*b+c，R>a+2*k，R>Rs，2*b+c>Rs>a+2*k。
3.根据权利要求2所述的基于几何贝尔相位的超表面三功能集成器件，其特征在于，结构参数a、b、c、Rs和ks，在笛卡尔坐标系（x，y，z）下，单元的散射矩阵满足rxx=ryy=0，和 ，这里txx，tyy，rxx和ryy分别为其在x，y线极化波激励下的主极化传输和反射幅度，arg(txx)，arg(tyy)，arg(rxx)，arg(ryy)分别为x，y线极化波激励下的主极化传输和反射相位。
4.根据权利要求3所述的基于几何贝尔相位的超表面三功能集成器件，其特征在于，包围折叠H结构的双开口环谐振器中，其结构参数R、k和s，在笛卡尔坐标系下，单元的散射矩阵满足rxx=ryy=1， 和 。
5.根据权利要求2所述的基于几何贝尔相位的超表面三功能集成器件，其特征在于，超表面单元的结构参数如下：Rs＝2.3 mm，ks＝0.4 mm，R＝2.9 mm，s＝0.3 mm，a＝2.1 mm，b＝
1.25 mm，c＝0.9 mm，k＝0.4 mm；金属为金属铜，厚度为0.036 mm。
6.如权利要求1或2所述的基于几何贝尔相位的超表面三功能集成器件的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：第一步：将经典带通频率选择表面结构FSS引入超表面，构建ABA通带高效透射模式首先，通过带通FSS特性对比分析，选择亚波长特性更好、带宽更宽及极化和角度不敏感性更好的圆环槽FSS作为中间层（B），用于在低频f1处充当地板功能、高频f2处充当带通滤波器功能；
其次，通过上、下层经典H结构和折叠H结构电磁特性的对比分析，选择单元更小、边缘滤波矩形度更好、品质因数更高的折叠H结构作为ABA架构的上、下层金属结构（A），能很好地解决透射和反射模式结构的尺寸匹配问题；
最后，通过设计ABA体系单元的结构参数：a、b、c、Rs和ks，使得在笛卡尔坐标系（x，y，z）下，单元的散射矩阵满足rxx=ryy=0， 和 ，这时单元在圆极化波激励下具有近1的圆极化交叉极化透射幅度，而其余三个分量分别为零，这里txx，tyy，rxx和ryy分别为其在x，y线极化波激励下的主极化传输和反射幅度，arg(txx)，arg(tyy)，arg(rxx)，arg(ryy)分别为x，y线极化波激励下的主极化传输和反射相位；
第二步：将双开口环谐振器引入ABA超表面，构建高效低频反射模式
通过在上、下层分别设计一个能包围折叠H结构的双开口环谐振器，通过调整其结构参数（R、k和s）使得笛卡尔坐标系下，单元的散射矩阵满足rxx=ryy=1， 和，这时，单元在圆极化波激励下具有近1的圆极化同极化反射
幅度，而其余三个分量分别为零，或者单元在圆极化波激励下具有近1的圆极化主极化反射幅度；
第三步：合成最终具有透、反射一体的三层ABA结构，并评估透、反射模式的隔离度有了第一步的ABA带通高透结构和第二步的高效反射结构，就可以构建最终兼透、反射一体的三层单元结构；根据能实现高效透射率、反射率以及透、反射高度隔离，使得最终超表面可分别对透射波和反射波的相位进行独立调制；
第四步：预定超表面的三个特定功能，确定三种相位分布
选择波束偏折、波束聚焦和涡旋光产生作为超表面三个功能，并计算合成超表面上的相位分布；
第五步：根据三种相位分布，确定超表面的拓扑结构，即口径上每个三层超表面单元的结构，实现三功能集成器件首先，旋转上层双开口环谐振器的方位角，使方位角满足θ2分布，保持其他结构参数不变，来实现反射模式下的波束偏折，即功能一、F1；然后，在保持Ⅰ层双开口环谐振器排布不变的基础上，对上、下层折叠H结构同时旋转，使方位角满足Φ分布，实现透射模式的涡旋波束产生，即功能二、F2；最后，仅旋转下层双开口环谐振器的方位角，使方位角满足θ1分布，实现反射模式下的波束聚焦，即功能三、F3。
7.根据权利要求6所述的基于几何贝尔相位的超表面三功能集成器件的设计方法，其特征在于，优化确定超表面单元的最终结构参数，具体如下：Rs＝2.3 mm，ks＝0.4 mm，R＝
2.9 mm，s＝0.3 mm，a＝2.1 mm，b＝1.25 mm，c＝0.9 mm，k＝0.4 mm；金属为金属铜，厚度为
基于几何贝尔相位的三功能超表面集成器件及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于超表面电磁调控技术领域，具体涉及能够实现多种功能的超表面集成器件及其设计方法。
背景技术
[0002] 超表面是由系列亚波长人工电磁结构按照一定排列方式构成的一种平面人工电磁结构。由于厚度薄、加工制作简单、电磁波调控能力强，引起了科学技术人员的研究兴趣。在单个板子上展现出独立多波前调控在现代科学技术和集成光学领域任务非常迫切，应用前景光明。尽管如此，现有报道都只能在任意线极化波下提供有效解决方案，它们并不能在任意圆极化波下实现多任务波前调控，极度阻碍了实际应用。圆极化波下的多任务波前调控在实际实现时非常具有挑战性，主要原因有两个方面，一是同一结构在圆极化波不同旋向下的相位特性只是发生符号翻转，两种旋向下的相位和功能都是锁定的，如位置相互倒立的全息图像、发射与收敛聚焦、相互对称偏折波束等。更严重的是，信息容量和功能非常受限，难于拓展，主要原因在于很难实现2套、3套甚至多套几何贝尔相位的同时操控，如何降低和消除不同结构间的耦合和串扰，从而实现多套几何贝尔(PB)相位间的独立操控是实现旋向三功能集成器件的关键。
[0003] 本发明基于PB相位与频率、旋向多元集成技术公布了一种能在圆极化波激发下、2个不同频率(f1，f2)处、不同方向上(透射和反射域)实现三种特定功能的三功能集成器件及其设计方法。三功能集成器件能对反射、透射电磁波进行全空间电磁操控，仅由3层金属结构和2层介质板构成，具有集成度高、体积小、效率高等优势。
发明内容
[0004] 本发明目的在于提出一种在圆极化波激发下能对透射、反射电磁波进行全空间电磁操控的三功能超表面集成器件及其设计方法。
[0005] 本发明提供的三功能超表面集成器件，是基于几何贝尔相位的、在圆极化波激发下能对透射、反射电磁波进行全空间电磁操控的三功能超表面集成器件。如图1所示，对电磁波的透、反射调控可认为由常规反射和常规透射超表面的集合，从而使以超表面为界的透射和反射两个半空间内都能调制电磁波。如图2所示，三功能集成器件在前向激发时，f1处实现反射电磁功能F1，f2处实现反射电磁功能F2；后向激发时，f1处实现反射电磁功能F3，f2处实现反射电磁功能F2。
[0006] 本发明提供的三功能超表面集成器件，由M*M个具有不同结构参数的超表面单元在平面内等间距周期排列组成；要想实现图2所示的三功能集成器件，超表面单元必须至少包含三层金属结构，如图3所。三层超表面单元为方形且周期均为p，由上、中、下三层金属和两层介质板交替层叠构成；其中，上、下层金属结构均包含双开口环谐振器和折叠H形结构两种亚波长单元结构，而且双开口环谐振器将折叠H形结构包住，构成外、内布局；所述折叠H形结构由两端2个对称的U形结构和中间十字结构组成；中间层金属结构为刻蚀闭合圆环槽的地板结构；双开口环谐振器工作频段为f1，折叠H形结构工作频段为f2。
[0007] 本发明中，超表面单元为方形且周期均为p，双开口环谐振器的工作频段为f1，折叠H形结构的工作频段为f2，记三层超表面单元的结构参数如下：双开口环谐振器的内半径为R、环宽与开口宽度为k和s；折叠H形结构的线宽度均为k，其中U形结构长度和高度分别为a和b，折叠H形结构中十字结构的长边和短边分别为a+2*k和c，中间层闭合圆环槽的内半径和宽带分别为Rs和ks。上述结构参数满足关系：R>2*b+c，R>a+2*k，R>Rs，2*b+c>Rs>a+2*k。
[0008] 如图4所示，前向激发时，可以看出f1＝8GHz时表面电流主要集中在上层双开口环结构以及中层圆环缝隙周围，而单元其余结构的表面电流很弱，且上层和中层金属结构上形成了反向电流，后向激发可看到类似的效果，说明f1处上层(下层)双开口环谐振器与中层刻蚀闭合圆环槽的地板结构形成磁谐振，在频率f1处构成前向(后向)反射模式。而在f2＝12GHz时，无论前向还是后向激发，表面电流主要集中在上、下层折叠H形结构和中层的圆环缝隙周围，外圈双开口环谐振器几乎没有感应电流，说明f2处磁谐振由上、下层折叠H形结构决定，也即上、下层折叠H形结构与中层刻蚀闭合圆环槽的地板结构在频率f2处形成ABA高效率透射模式。另一方面，两种情形下表面电流均只集中在相应结构上，而其余结构处电流很弱，表明双开口环谐振器与折叠H形结构在频率f1和f2处的反射和透射模式完全独立，具有较好的隔离性，为后面独立三功能集成奠定了基础。
[0009] 根据三功能集成器件的要求，本发明对超表面单元结构进行优化设计，具体步骤如下。
[0010] 第一步：将经典带通频率选择表面结构(FSS)结构引入超表面，构建ABA通带高效透射模式。
[0011] 首先，通过带通FSS特性对比分析，选择亚波长特性更好、带宽更宽及极化和角度不敏感性更好的圆环槽FSS作为中间层(B)，用于在低频f1处充当地板功能、高频f2处充当带通滤波器功能。选取经典十字槽与环形槽FSS单元作为例子，分别从亚波长特性、带宽及极化敏感性三个方面进行验证。为验证带宽和亚波长特性，保持二者周期p＝9.5mm、两侧介质厚度h＝1mm和槽宽度0.5mm相同，对十字槽长度a和圆环槽直径d进行参数扫描。如图5所示，通过仿真可得当a＝8.8mm，d＝5.8mm时二者的中心频率都为12GHz，显然圆环槽FSS更小，具有更好的亚波长特性。同时还可以看出，圆环槽FSS的带宽大于十字槽FSS。如图6所示，x、y极化斜入射时且入射角在0°、30°和60°范围内变化时，圆环槽FSS与十字槽FSS相比，电磁响应随角度的变化程度更小，敏感度更低，同时十字槽FSS在14GHz附近产生了高次谐振，因此圆环槽FSS具有更好的斜入射稳定性和极化不敏感性。
[0012] 其次，通过上、下层经典H结构和折叠H结构电磁特性的对比分析，选择单元电小、边缘滤波矩形度更好、品质因数更高的折叠H结构作为ABA架构的上、下层金属结构(A)，很好地解决了透射和反射模式结构的尺寸匹配问题。如图7所示，给出了几种情形下透射单元的交叉极化透射幅度|tRL|频谱曲线，单元中心工作频率均设计在f2＝12GHz，可以看出，直接将工作于12GHz的圆环槽FSS作为中间层与工作于12GHz处的双层H形结构组合成ABA结构，单元透射率很低，这是由于两结构之间存在相互影响，需要进行一体化设计。进一步可以看出经过一体化优化设计后的H形和折叠H型ABA结构均具有很高的透射率，透射峰值高达0.97，显著高于只有双层H形结构形成的AA体系透射率，这是因为ABA形成了强谐振，形成了类似于异性相吸的传递吸引力，拉高了透射峰。同时，通过对比还可以发现，折叠H形ABA结构具有更高的品质因数和更尖的谐振峰。对形成稳当的几何贝尔相位非常有利。
[0013] 最后，通过设计ABA体系单元的结构参数(a、b、c、Rs和ks)，使得在笛卡尔坐标系(x，y，z)下，单元的散射矩阵满足rxx＝ryy＝0，|txx|＝|tyy|＝1和arg(txx)-arg(tyy)＝±π，如图8(b)所示，该情形下单元在圆极化波激励下具有近1的圆极化交叉极化透射幅度，而其余三个分量分别为零，如图8(d)所示，这里txx，tyy，rxx和ryy分别为其在x，y线极化波激励下的主极化传输和反射幅度，arg(txx)，arg(tyy)，arg(rxx)，arg(ryy)分别为x，y线极化波激励下的主极化传输和反射相位。
[0014] 第二步：将双开口环谐振器引入ABA超表面，构建高效低频反射模式。
[0015] 通过在上、下层分设计一个能包围折叠H结构的双开口环谐振器，通过调整其结构参数(R、k和s)使得笛卡尔坐标系下，单元的散射矩阵满足rxx＝ryy＝1，|txx|＝|tyy|＝0和arg(rxx)-arg(ryy)＝±π，如图8(a)所示，该情形下单元在圆极化波激励下具有近1的圆极化同极化反射幅度，而其余三个分量分别为零，如图8(c)所示。该情形下单元在圆极化波激励下具有近1的圆极化主极化反射幅度。
[0016] 第三步：合成最终具有透、反射一体的三层ABA结构，并评估透、反射模式的隔离度[0017] 有了第一步的ABA带通高透结构和第二步的高效反射结构，就可以构建最终兼透、反射一体的三层单元结构，如图3所示。根据能实现高效透射率、反射率以及透、反射高度隔离，使得最终超表面可分别对透射波和反射波的相位进行独立调制；
[0018] 优化确定单元的最终结构参数，具体如下：Rs＝2.3mm，ks＝0.4mm，R＝2.9mm，s＝0.3mm，a＝2.1mm，b＝1.25mm，c＝0.9mm，k＝0.4mm。介质板采用厚度为1mm,介电常数εr为
2.65的聚四氟乙烯(F4B)介质板。金属为金属铜，厚度为0.036mm。为进行验证，图9给出了结构未旋转时最终设计的三层ABA透、反射单元的透射幅度频谱曲线，可以明显看出圆极化波激发下单元在f1＝8和f2＝12GHz处分别形成了2个峰，分别为同极化反射峰和交叉极化透射峰。综合结构确定后，需要评估最终单元透、反射模式的隔离度。如图10所示，当旋转三层透、反射单元的折叠H形结构时，即改变θ1(0°～90°)，可以看出当θ1＝45°时，f2＝12GHz处透射幅度|tRL|达到最大值0.98，而在0°和90°时，减小到最小值0.91，且tRL的相位随角度θ1呈线性变化，透射相位变化值为旋转角变化值的2倍，是典型的几何贝尔相位，而其余三个散射系数的幅度和相位在f1处几乎保持不变。最重要的是，折叠H形结构旋转时，反射幅度和相位几乎保持不变，表明透射模式对反射模式几乎没有影响。如图11所示，当旋转上层或下层的双开口环谐振器时，即改变θ2，(0°～90°)，而其余结构保持不变，反射幅度在f1＝8GHz处均保持较高值并保持相对稳定(|rLL|＞0.97)，但反射模式rLL的反射相位与旋转角度θ2同样呈线性变化且为2倍的线性关系，是典型的几何贝尔相位。类似地，透射幅度和相位在f2处几乎保持不变，表明反射模式对透射模式几乎没有影响。综上，反射模式和透射模式具有非常好的隔离性和非相干性，二者可独立工作，该透、反射超表面单元可分别对透射波和反射波的相位进行独立调制，为后续设计多功能透、反射超表面阵列打下了坚实基础。
[0019] 第四步：预定超表面的三个特定功能，确定三种相位分布。
[0020] 首先，确定需要操控的三种特定电磁功能，诸如波束偏折、波束聚焦、涡旋光产生、龙伯透镜、鱼眼透镜等，将上述功能任意组合即可形成独立调控的三功能圆极化透、反射集成超表面。这里，选择波束偏折、波束聚焦和涡旋光产生作为超表面三个功能，并计算合成超表面上的相位分布，如图12、13和14所示。
[0021] 第五步：根据三种相位分布，确定超表面的拓扑结构，即口径上每个三层超表面单元的结构，实现三功能集成器件。
[0022] 首先，旋转上层双开口环谐振器的方位角，使方位角满足θ2分布，保持其他结构参数不变，来实现反射模式下的波束偏折(功能一、F1)；然后，在保持Ⅰ层双开口环谐振器排布不变的基础上，对上、下层折叠H结构同时旋转，使方位角满足Φ分布，实现透射模式的涡旋波束产生(功能二、F2)；最后，仅旋转下层双开口环谐振器的方位角，使方位角满足θ1分布，实现反射模式下的波束聚焦(功能三、F3)。根据步骤4合成的阵列口径上各层的结构分布如图12、13和14所示。
附图说明
[0023] 图1为同时具有反射、透射功能的透、反射一体化超表面功能示意图。
[0024] 图2为全空间三功能集成器件功能示意图。
[0025] 图3为ABA圆极化波激发透、反射超表面单元结构图。
[0026] 图4为超表面单元的电流分布图。(a)反射模式下xoy和xoz面的电流分布；(b)透射模式xoy和xoz面的电流分布。
[0027] 图5为中心工作频率均为12GHz时圆环槽和十字槽FSS的传输曲线。
[0028] 图6为十字槽与环形槽FSS单元透射响应随斜入射角度变化的透射频谱曲线。
[0029] 图7为(a)H形与(b)折叠H形ABA透射单元的拓扑结构；(c)双层H形单元、加载FSS后的H形、优化后的H形ABA透射单元和折叠H形ABA透射单元的传输曲线，|tRL|表示左旋圆极化波到右旋圆极波的透射幅度。
[0030] 图8为(a)x和y线极化波激发下加载圆环槽FSS的双开口环谐振器的主极化反射系数；(b)x和y线极化波激发下H形ABA透射单元的主极化反射系数；(c)圆极化波激发下双开口环谐振器的透射与反射系数；(d)圆极化波激发下折叠H形ABA透射单元的透射与反射系数。
[0031] 图9为圆极化波激发下，最终设计的三层ABA透、反射单元的透射和反射幅度频谱曲线。|rLL|表示由LCP波到LCP波的反射幅度，|tRL|表示由LCP到RCP波的透射幅度。
[0032] 图10为θ1变化时单元的(a)反射、透射幅度；(b)透射相位；(c)反射相位；(d)透射幅度和相位随θ1的变化曲线。
[0033] 图11为θ2变化时单元的(a)反射、透射幅度；(b)反射相位；(c)透射相位；(d)反射幅度和相位随θ2的变化曲线。
[0034] 图12为(a)线性梯度相位分布与(b)上层SRRs阵列排布。
[0035] 图13为(a)聚焦相位分布与(b)下层SRRs阵列排布。
[0036] 图14为涡旋波束相位分布及上、下层折叠H形结构的阵列排布。
[0037] 图15为圆极化波激发下仿真奇异波束偏折功能F1：(a)仿真三维远场方向图；(b)仿真二维远场方向图；(c)仿真电场分布；(d)仿真散射场分布。
[0038] 图16为线极化波激发下奇异波束偏折功能F1：(a)仿真LCP二维远场方向图；(b)仿真总二维远场方向图；(c)仿真RCP二维远场方向图；(b)仿真总三维远场方向图；(e)xoz面内仿真总电场分布。
[0039] 图17为圆极化波和馈源激发下的聚焦与高增益反射面天线功能F3：平面波激发时的仿真(a)电场幅度分布与(b)馈源激发时的仿真电场实部分布；(c)宽带阿基米德螺旋天线激发时的仿真辐射远场分布；(d)宽带阿基米德螺旋天线性能。
[0040] 图18为馈源激发下的涡旋波束产生功能F2。(a)仿真远场分布；(b)xoy面内仿真电场幅度；(c)xoy面内仿真x和y分量电场分布；(d)xoz截面内仿真电场分布。
[0041] 图19为(a)远场测试装置示意图，(b)圆极化喇叭，(c)近场测试示意图和(d)加工三功能器件样品。
[0042] 图20为(a)反射波束偏折器的二维远场归一化分布与(b)反射面天线的二维远场分布。
[0043] 图21为透射涡旋波束的(a)近场幅度分布、(b)相位分布与(c)二维远场分布。
具体实施方式
[0044] 下面以实施例详述三功能集成器件的具体实施方式。首先，设计圆极化波沿+z方向激发时的反射模式调制，即波束偏折功能F1。通过改变阵列单元的相位排布形成线性梯度相位，可使反射波束按照设计角度发生奇异偏折。根据广义Snell定律，可得偏折角和相位分布满足如下关系：
[0045]
[0046] 整个超表面阵列由20×20个单元组成，其相位排布可由式(1)计算得出，其中设置偏折角θt为30°。采用商业仿真软件CST对阵列结构进行FDTD仿真计算，仿真过程中，采用LCP平面波照射，由PB相位理论可知，反射波也为LCP平面波。如图15所示，由三维方向图可以看出，反射波波束偏折角和理论预期一致，且副瓣几乎为零。并且通过xoz面的电场分布可看出反射波保持了良好的平面波特性。为了定量研究它的偏折效率，采用等大金属板做归一化处理，可得到偏折效率：
[0047]
[0048] PR为平面波超表面偏折后反射总能量，PMetal为将超表面替换为等大金属板时的反射总能量，PR_LCP为反射的主波束能量，通过代入相应数值可得三功能集成器件的波束偏折效率η为85％。
[0049] 下面对功能F1的散射特性进行评估，由散射场分布可知，亮色部分标记的仿真偏折角与紫色三角形标记的理论预测值吻合的非常好，且偏折效率大于60％的工作带宽为7.7-8.3GHz。
[0050] 下面讨论-z方向激发时的反射模式调制，即高增益辐射功能F3，反射面高增益天线原理是基于反射型聚焦超表面对由不同路径引起的非一致相位进行纠正而达到对波束汇聚的作用，超表面上的口径相位分布满足：
[0051]
[0052] 其中，λ是中心频率处f1处的波长，F为焦距且设定为F＝50mm，Φ0为参照相位。x，y为单元坐标。将馈源天线近似为点源，将其放置在聚焦超表面的焦点上。馈源发出的球面波在经过聚焦超表面反射后将会变成平面波，从而形成口径天线的同相辐射，形成了高增益、高定向辐射。
[0053] 为进行验证，首先采用LCP平面波对超表面进行激发，如图17所示，xoz面内的电场光斑表明超表面在反射区域明显形成了能量汇焦，光斑距离超表面46～54mm，且光斑强度最强处为聚焦焦点，距离超表面50mm。这说明，与理论设定焦距完美吻合。接下来，改用馈源激发，这里馈源采用宽带的阿基米德螺旋天线，通过仿真可得它在8和12GHz处的轴比、二维方向图与三维方向图。两个频率处，馈源均可近似为点源，辐射准球面波，且最大增益为6.7dB(8GHz)和6.8dB(12GHz)。在主辐射角度范围内(-90°～90°)，轴比均低于3dB，馈源具有良好的圆极化特性。通过xoz面内的电场分布图，可以看出，球面波被超表面变换成平面波，向+z方向传输，与预期一致，且透射波能量很小，说明中间层FSS结构对此模式近乎起金属板作用。此外，由远场方向图可知，反射面天线辐射最大增益达到17.6dB，相比于馈源天线提高了10.8dB，方向性和辐射增益得到了显著提高。
[0054] 下面讨论+z或-z方向圆极化波激发时的透射模式调制，即涡旋波束产生功能F2。相比于前面介绍的功能一和功能三，功能二工作于透射模式下12GHz附近。保持前面两种功能所需的口径结构排列不变，对折叠H形单元结构进行有序排列和组阵。口径面上的相位分布为聚焦抛物相位与拓扑荷l＝1的涡旋相位叠加。采用上述馈源激发，如图18所示，由三维远场方向图和xoz面内的电场分布可以看出绝大部分入射波透射出去，且形成了中心具有零辐射的涡旋波束，为奇异点。由xoy面z＝200mm处截面的电场幅度可以看到中心具有近零电磁强度，再一次验证透射波束为中间凹空的涡旋光波束。同时，由xoy面内x分量和y分量的电场分布可以看出清晰的涡旋臂，为涡旋波束典型的螺旋臂特征。
[0055] 最后对三功能集成器件进行实验验证。透、反射超表面由两层1mm厚的聚四氟乙烯(F4B)介质板和三层0.036mm厚的金属层构成，整体剖面约等于2mm，其中F4B的介电常数εr＝2.65，损耗角正切tan(δr)＝0.003。两层覆铜板由介质螺钉固定，粘贴在蓝色硬质泡沫(相对介电常数接近于1)上用于固定。如图19所示，整个测试过程分两部分：远场测试和近场测试。远场测试用于测试三种功能的远场方向图，当测试功能一时，采用6-14GHz的可切换旋向的宽带圆极化喇叭当作激励源发射圆极化波，将喇叭和样品一起固定在转台上，另采用同样的圆极化喇叭在远场进行接收。另一方面，当测试功能二和功能三时，右旋宽带阿基米德圆极化天线固定在距离样品50mm处，同时用圆极化喇叭接收。其中发射和接收天线分别连接在矢量网络分析仪的2个端口上。为更进一步分析功能二的涡旋相位，需要测试其近场特性，采用8-14GHz的探头作为接收天线，与样品的距离为200mm，扫描区域为200×200mm2，步进为10mm。
[0056] 如图20所示，对于功能一，可以看到二者的最大辐射方向都发生在30°附近，与理论计算值吻合，且其它角度的辐射电平均低于-13dB，说明绝大多数反射波能量都集中在主瓣上，副瓣较小。对于功能三，系统在8GHz的最大辐射增益达17.8dB，使馈源增益提高了10.8dB，主波瓣宽度减小到18°。
[0057] 对于功能二，远场结果如图21(c)所示，仿真结果和测试结果吻合较好，在0°位置产生了明显的凹空辐射，强度为-19.2dB，接近于0，涡旋波束张角为8.2°，且和工作于12GHz的馈源天线对比，测试最大增益提高了10.7dB，达到17.8dB。另一方面，测试得到的涡旋波束二维近场归一化幅度与仿真值吻合较好，显示出明显的螺旋波前。
