本發(fā)明涉及電磁超表面技術(shù)和太赫茲波束控制領(lǐng)域，特別涉及一種6g通信的二氧化釩雙功能太赫茲超表面及編碼超表面。

背景技術(shù)：

1、太赫茲編碼超表面是結(jié)合了太赫茲技術(shù)和超材料概念的一個(gè)研究領(lǐng)域，太赫茲波這個(gè)頻段位于微波與紅外光之間，在安檢、無損檢測、通信、天文學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景；編碼超表面是指利用數(shù)字編碼的概念來設(shè)計(jì)超表面，通過不同單元的組合實(shí)現(xiàn)對電磁波的編碼功能，這種設(shè)計(jì)方法簡化了超材料的設(shè)計(jì)過程，使得對電磁波的操控更加靈活，將編碼技術(shù)應(yīng)用到太赫茲波段得到的太赫茲編碼超表面可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的高效調(diào)制與處理，例如，在太赫茲成像、通信系統(tǒng)中，編碼超表面可以用來提高系統(tǒng)的信號處理能力或增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。此外，由于太赫茲波的高頻率特性，使用編碼超表面還可以探索新的多功能集成解決方案，如多路復(fù)用、波束形成等高級功能。

2、目前大多數(shù)研究的超表面一般是反射型超表面，反射型超表面在一些領(lǐng)域中的應(yīng)用有所限制，比如室內(nèi)信號增透，近場投射增強(qiáng)方面，所以需要一種能夠透射的超表面補(bǔ)全反射型超表面的不足和缺陷。雖然也有少量現(xiàn)有技術(shù)公開了雙功能超表面的設(shè)計(jì)，比如現(xiàn)有技術(shù)cn111665588a公開了一種基于二氧化釩和狄拉克半金屬復(fù)合超表面的雙功能偏振器，每個(gè)器件結(jié)構(gòu)單元自上而下包括二氧化硅層和二氧化釩層，二氧化硅層的上方設(shè)有兩個(gè)狄拉克半金屬u型結(jié)構(gòu)，二氧化釩層的下方設(shè)有線柵，但是該方案側(cè)重于通過狄拉克半金屬的費(fèi)米能級調(diào)控進(jìn)行透射和反射偏振的雙激勵(lì)調(diào)控，應(yīng)用于偏振轉(zhuǎn)換和波片設(shè)計(jì)，需要額外的電控或材料調(diào)節(jié)以及依賴于電控元件。

3、另外，目前的二比特編碼超表面?zhèn)鞲衅鞔蟛糠质轻槍τ?g毫米波通信和衛(wèi)星通信領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，著重于高頻信號的反射控制和增益提升，強(qiáng)調(diào)的是電控可編程性和動(dòng)態(tài)相位調(diào)節(jié)，比如現(xiàn)有技術(shù)cn115513669b通過在金屬層間加載二極管實(shí)現(xiàn)電控相位調(diào)節(jié)，然而這種編碼超表面?zhèn)鞲衅鞯南辔徊顚?shí)現(xiàn)依靠二極管的狀態(tài)變化和不同的金屬層組合，通過切換二極管的開關(guān)狀態(tài)來控制相位，對二極管和金屬層的精密制造要求較高，且在高頻下可能存在較大的損耗和復(fù)雜的制造工藝，也無法被應(yīng)用于6g通信領(lǐng)域的多種太赫茲波束調(diào)控（如分裂、偏轉(zhuǎn)、oam渦旋波束生成）等。

4、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的雙功能超表面結(jié)構(gòu)和操作控制方法均比較復(fù)雜，也并沒有側(cè)重于簡單的透射和反射切換的雙功能超表面?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)；現(xiàn)有技術(shù)的編碼超表面的相位控制方法復(fù)雜，未能很好的被應(yīng)用于6g通信領(lǐng)域的太赫茲波束調(diào)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種6g?通信的二氧化釩雙功能太赫茲超表面及編碼超表面，設(shè)計(jì)了通過溫度控制改變透射和反射狀態(tài)的雙功能太赫茲超表面單元，同時(shí)基于該雙功能太赫茲超表面單元設(shè)計(jì)了不同編碼的太赫茲編碼超表面，以實(shí)現(xiàn)在6g通信領(lǐng)域的太赫茲波束調(diào)控。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本技術(shù)方案提供一種6g?通信的二氧化釩雙功能太赫茲超表面，包括：至少一個(gè)超表面單元結(jié)構(gòu)，其中每一超表面單元結(jié)構(gòu)包括自上而下依次設(shè)置的硅層、中間介質(zhì)層以及相變層，硅層為邊長相同的方形硅柱，且方形硅柱的四個(gè)邊角位置為邊長相同的邊角方塊，位于方形硅柱同一側(cè)的邊角方塊的最大長度構(gòu)成方形硅柱的結(jié)構(gòu)邊長，相變層為采用二氧化釩的邊長相同的方塊，當(dāng)處于常溫時(shí)，相變層的二氧化釩處于介質(zhì)態(tài)，該超表面單元結(jié)構(gòu)透射太赫茲波束；當(dāng)處于高溫時(shí)，相變層的二氧化釩處于金屬態(tài)，該超表面單元結(jié)構(gòu)反射太赫茲波束。

3、第二方面，本方案提供了太赫茲編碼超表面，該太赫茲超表面實(shí)現(xiàn)2比特的編碼效果，包括：四組由超表面單元結(jié)構(gòu)方陣排列組成的編碼單元，同一編碼單元中的超表面單元結(jié)構(gòu)相同，不同編碼單元中的超表面單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)邊長不同，四組編碼單元的歸一化相位分別為0°，90°，180°，270°。

4、第三方面，本方案提供了太赫茲編碼超表面，該太赫茲超表面實(shí)現(xiàn)1比特的編碼效果，包括：兩組由超表面單元結(jié)構(gòu)方陣排列組成的編碼單元，同一編碼單元中的超表面單元結(jié)構(gòu)相同，不同編碼單元中的超表面單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)邊長不同，兩組編碼單元的相位差為180°。

5、第四方面，本方案提供了太赫茲編碼超表面的應(yīng)用方法，應(yīng)用于波束調(diào)控，包括以下步驟：以依次排列第一編碼單元、第二編碼單元、第三編碼單元、第四編碼單元為一個(gè)周期編碼單元，沿x軸方向和y軸方向分別排列至少兩個(gè)周期編碼單元，且x軸方向和y軸方向的周期編碼單元的數(shù)量相同。

6、第五方面，本方案提供了太赫茲編碼超表面的應(yīng)用方法，包括以下步驟：計(jì)算oam波束的相位差并引入螺旋相位，根據(jù)相位差在不同位置設(shè)置不同的編碼單元。

7、相較現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)方案具有以下特點(diǎn)和有益效果:

8、一、本方案的6g通信的二氧化釩雙功能太赫茲超表面使用二氧化釩作為相變材料，通過調(diào)節(jié)外部溫度來控制太赫茲波的透射和反射模式，當(dāng)二氧化釩處于介質(zhì)態(tài)時(shí)，器件作為透射超表面，可以在1.3thz頻段實(shí)現(xiàn)波束分裂和偏轉(zhuǎn)；而當(dāng)二氧化釩處于金屬態(tài)時(shí)，器件則作為反射超表面，在1thz頻段實(shí)現(xiàn)相似功能。這一創(chuàng)新點(diǎn)大大拓展了電磁波在空間中的調(diào)制范圍，實(shí)現(xiàn)了功能的靈活切換。

9、二、本方案的太赫茲編碼超表面將計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制概念引入到超表面單元的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)2bit編碼超表面，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了4個(gè)不同編碼單元，對應(yīng)0°、90°、180°和270°的相位差，并通過傅里葉卷積計(jì)算的方式，將復(fù)雜的波束調(diào)控問題簡化為編碼設(shè)計(jì)問題，可以將反射波束的方向擴(kuò)展到8個(gè)方位，實(shí)現(xiàn)對電磁波的精準(zhǔn)控制。這種編碼設(shè)計(jì)不僅簡化了傳統(tǒng)超表面的設(shè)計(jì)過程，并通過高比特編碼拓展了相位調(diào)控能力，提高了超表面在實(shí)際應(yīng)用中的靈活性和效率。

10、三、本方案的太赫茲編碼超表面還可拓展用于生成oam（軌道角動(dòng)量）渦旋波束，設(shè)計(jì)了一種能夠生成拓?fù)潆姾蓴?shù)為1的渦旋波束編碼超表面，這種波束具有高方向性和低發(fā)散角的特點(diǎn)，為6g無線通信和太赫茲波束控制提供了重要支持。這一創(chuàng)新不僅擴(kuò)展了波束的種類，還提供了靈活的波束調(diào)控手段，適用于增強(qiáng)信號覆蓋和減少盲區(qū)的應(yīng)用場景。

技術(shù)特征：

1.一種6g通信的二氧化釩雙功能太赫茲超表面，其特征在于，包括：至少一個(gè)超表面單元結(jié)構(gòu)，其中每一超表面單元結(jié)構(gòu)包括自上而下依次設(shè)置的硅層、中間介質(zhì)層以及相變層，硅層為邊長相同的方形硅柱，且方形硅柱的四個(gè)邊角位置為邊長相同的邊角方塊，位于方形硅柱同一側(cè)的邊角方塊的最大長度構(gòu)成方形硅柱的結(jié)構(gòu)邊長，相變層為采用二氧化釩的邊長相同的方塊，當(dāng)處于常溫時(shí)，相變層的二氧化釩處于介質(zhì)態(tài)，該超表面單元結(jié)構(gòu)透射太赫茲波束；當(dāng)處于高溫時(shí)，相變層的二氧化釩處于金屬態(tài)，該超表面單元結(jié)構(gòu)反射太赫茲波束。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6g通信的二氧化釩雙功能太赫茲超表面，其特征在于，方形硅柱的高度h3?=?20?μm，中間介質(zhì)層的高度h2?=20?μm，相變層的高度h1=0.5μm，相變層的方塊邊長p為120?μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6g?通信的二氧化釩雙功能太赫茲超表面，其特征在于，中間介質(zhì)層的材料為聚四氟乙烯。

4.一種太赫茲編碼超表面，其特征在于，包括：四組由根據(jù)權(quán)利要求1到3任一所述的超表面單元結(jié)構(gòu)方陣排列組成的編碼單元，同一編碼單元中的超表面單元結(jié)構(gòu)相同，不同編碼單元中的超表面單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)邊長不同，四組編碼單元的歸一化相位分別為0°，90°，180°，270°。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲編碼超表面，其特征在于，其中超表面單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)邊長為30μm的編碼單元定義為第一編碼單元，超表面單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)邊長為45μm的編碼單元定義為第二編碼單元，超表面單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)邊長為62μm的編碼單元定義為第三編碼單元，超表面單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)邊長為72μm的編碼單元定義為第四編碼單元，其中第一編碼單元、第二編碼單元、第三編碼單元以及第四編碼單元的歸一化相位分別為0°，90°，180°，270°。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲編碼超表面，其特征在于，每一編碼單元由超表面單元結(jié)構(gòu)以3*3方陣排列組成。

7.一種太赫茲編碼超表面，其特征在于，包括：兩組由根據(jù)權(quán)利要求1到3任一所述的超表面單元結(jié)構(gòu)方陣排列組成的編碼單元，同一編碼單元中的超表面單元結(jié)構(gòu)相同，不同編碼單元中的超表面單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)邊長不同，兩組編碼單元的相位差為180°。

8.一種根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲編碼超表面的應(yīng)用方法，應(yīng)用于波束調(diào)控，其特征在于，包括以下步驟：以依次排列第一編碼單元、第二編碼單元、第三編碼單元、第四編碼單元為一個(gè)周期編碼單元，沿x軸方向和y軸方向分別排列至少兩個(gè)周期編碼單元，且x軸方向和y軸方向上的周期編碼單元的數(shù)量相同。

9.一種根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲編碼超表面的應(yīng)用方法，其特征在于，包括以下步驟：計(jì)算oam波束的相位差并引入螺旋相位，根據(jù)相位差在不同位置設(shè)置不同的編碼單元。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲編碼超表面的應(yīng)用方法，其特征在于，包括以下步驟：根據(jù)相位差在不同位置設(shè)置不同的編碼單元得到oam渦旋波束超表面，其中oam渦旋波束超表面為由相位差分別為0，π/2,π,3π/2的第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域以及第四區(qū)域組成的正方形，其中第一區(qū)域內(nèi)設(shè)有由超表面單元結(jié)構(gòu)方陣排列組成的第一編碼單元，第二區(qū)域內(nèi)設(shè)有由超表面單元結(jié)構(gòu)方陣排列組成的第二編碼單元，第三區(qū)域內(nèi)設(shè)有由超表面單元結(jié)構(gòu)方陣排列組成的第三編碼單元，第四區(qū)域內(nèi)設(shè)有由超表面單元結(jié)構(gòu)方陣排列組成的第四編碼單元，第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域以及第四區(qū)域逆時(shí)針排列得到正方形，且第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域以及第四區(qū)域的面積相同。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種6G通信的二氧化釩雙功能太赫茲超表面及編碼超表面，二氧化釩雙功能太赫茲超表面包括至少一個(gè)超表面單元結(jié)構(gòu)，其中每一超表面單元結(jié)構(gòu)包括自上而下依次設(shè)置的硅層、中間介質(zhì)層以及相變層，硅層為邊長相同的方形硅柱，且方形硅柱的四個(gè)邊角位置為邊長相同的邊角方塊，位于方形硅柱同一側(cè)的邊角方塊的最大長度構(gòu)成方形硅柱的結(jié)構(gòu)邊長，相變層為采用二氧化釩的邊長相同的方塊，當(dāng)處于常溫時(shí)，相變層的二氧化釩處于介質(zhì)態(tài)，該超表面單元結(jié)構(gòu)透射太赫茲波束；當(dāng)處于高溫時(shí)，相變層的二氧化釩處于金屬態(tài)，該超表面單元結(jié)構(gòu)反射太赫茲波束，并基于二氧化釩雙功能太赫茲超表面設(shè)計(jì)太赫茲編碼超表面，可應(yīng)用于6G通信領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：陳浩納,肖丙剛,章東平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國計(jì)量大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17