超宽带微波涡旋超表面及其宽带设计方法

摘要

本发明属于微波段电磁波调控技术领域，具体为一种超宽带微波涡旋超表面及其宽带设计方法。本发明通过级联矩阵的方法得到反射体系下超表面单元满足PB几何相位的条件；采用色散工程方法进一步得到满足宽带PB相位的条件；然后设计两正交极化下同时满足多模谐振的单元结构和参数；最后根据理论计算公式计算得到不同拓扑荷下涡旋超表面的涡旋相位分布，并通过寻根算法和旋转超表面单元在CST中采用VBA宏建模实现超表面拓扑结构。据此，本发明设计了由三层金属结构和2层介质板组成的超表面单元，再由一系列超表面单元按照一定的相位分布经二维有限周期延拓得到超宽带微波涡旋超表面，其在6~18GHz之间能产生高效涡旋波束，具有超宽工作带宽、效率高、设计简单、成本低等优点。

主权项

一种超宽带涡旋超表面的宽带设计方法，其特征在于，具体步骤为：第一步：通过级联矩阵的方法得到反射体系下超表面单元满足PB几何相位的条件；笛卡尔坐标系下反射超表面单元旋转φ角后的反射矩阵写成：(1)这里，上标x、y表示入射波的极化方向，根据线极化基与圆极化基之间的关系，得圆极化基下的反射矩阵：(2)将式（1）代入式（2），得圆极化波激励下的散射矩阵：(3a)(3b)(3c)(3d)式（3a）~（3b）表明，当入射波为单一圆极化波时，反射体系下旋转超表面单元的反射波为同旋向圆极化波，且只有两个同旋向圆极化波分量和携带PB相位信息，其反射相位与φ呈现‑2φ或2φ的相位关系，而其余两个散射分量和并未携带PB相位信息，但贡献镜面反射模式；为简化设计，这里选择没有手性的结构体系来设计超表面单元，因此线极化波激励下没有交叉极化，即；为消除不需要的散射模式从而提高圆极化反射幅度、效率和产生PB相位，只需=0；反射体系下，容易使得两个线极化正交分量的反射幅度接近于1即，为满足=0，只需；第二步：根据上述相位条件，通过色散工程方法进一步得到满足宽带PB相位的条件；为使超表面单元在很宽的带宽范围内满足上述恒定180^o相位差，需要两个正交极化分量的反射相位在工作频率范围内具有相同的斜率，即：(4)采用多模级联的方法，实现超表面单元的超宽带工作，每个正交线极化分量均具有3个谐振模式且两极化下的模式在频谱上交替排列，接力形成宽带；假设x、y两极化下各个模式的谐振频率分别为、和以及、和，为保证上述斜率相同且不失一般性，选取7个典型频率满足式（4），即：，，，，，，；第三步：根据上述宽带PB相位条件，设计两正交极化下同时满足多模谐振的单元结构和参数；第四步：根据理论计算公式计算得到不同拓扑荷下涡旋超表面的涡旋相位分布，并通过寻根算法和旋转超表面单元在CST中采用VBA宏建模实现超表面拓扑结构，这里φ为方位角，0<φ<360^o，l为拓扑荷，对应一个波长内相位旋转的圈数。