一种用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面

1.本发明涉及新型人工电磁超表面与太赫兹无线通信技术领域，特别是涉及一种用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面。


背景技术：

2.太赫兹波段的频率范围被定义为0.1-10thz之间，在电磁波谱中位于微波和红外波的过渡段，兼具电子学和光子学特性。因此太赫兹波天然地具有非电离性、宽带性、指纹谱性等优势特性，在生物检测、激光雷达、宽带通信等应用领域得到了广泛关注。特别地，由于太赫兹的带宽远远大于用于5g通信的毫米波，应用于6g通信的太赫兹波可以极大地增宽无线电通信网络的频带，进而极大地提高网络数据传输的速度。但是由于在自然界中缺乏有效的太赫兹波调制材料，太赫兹波段又被称为“太赫兹间隙”，这一缺陷的存在限制了太赫兹波作为电磁波特性表征的幅值、相位及偏振态调制技术的发展。
3.超表面是由亚波长金属或介电单元按某种特定周期排列的二维人工电磁材料，可以和入射的电磁波发生自然界不存在的特殊电、磁或电磁响应，从而按照人为设计意愿对太赫兹波的幅值强度、相位变化和极化转变进行调制。太赫兹超表面是填补所谓“太赫兹间隙”的重要功能器件。已有研究证实太赫兹超表面作为吸波器、极化转换器、传感器等功能器件的应用可行性。与传统依靠光程积累实现电磁波波前调控的光学元件不同，超表面是通过在每个微结构单元引入不同设定的相位突变实现对电磁波的操控。2012年，由哈佛大学f.capasso课题组首次提出用v型金属天线构成相位梯度超表面，实现了电磁波异常偏转，从理论上概括了超表面的相位调控原理，并首次提出了广义斯涅尔定律。根据广义斯涅尔定律，在入射电磁波的激励下，经过超表面共振效应产生的响应波在某一方向的相位变化覆盖0～2π的范围，那么此方向上覆盖相变范围的超表面微结构周期单元就构成了相位梯度超表面。
4.在太赫兹波应用于6g通信中，需要搭建基于超表面器件的ris(reconfigurable intelligent surface)平台来动态地对通信信道进行智能调控及增强信号覆盖。具有相位梯度的太赫兹超表面能够实现对太赫兹波波束异常偏转的功能，是搭建ris平台的重要器件。超表面结构有动态静态之分。初期静态超表面结构一旦确定，超表面所具有特定的相位分布特性就失去了补偿特性，只能用于设定情况下的电磁波调控。静态超表面无法满足6g太赫兹通信对高度智能和自适应系统的要求，发展动态可重构智能超表面更加符合技术发展趋势。
5.超表面可以和可调材料(vo2、gst、液晶、石墨烯等)、可调器件(二极管)或微机电系统(mems)结合构成智能可调超表面。东南大学崔铁军课题就将超表面与二极管有效结合，提出了数字编码超表面的概念，极大地提高了超表面在毫米波段全息成像、通信等领域的应用范围。由于二极管无法在高频段稳定工作，选择在太赫兹波段展现独特优势的石墨烯作为智能可调超表面的结合材料也是灵活调控太赫兹波的合理方式。石墨烯是一种六边形类蜂巢结构的碳原子单层，具有良好的电磁特性和物理特性，例如良好的导电和导热性、
强度高又兼具延展性等。化学气相沉积法(cvd)是常用的石墨烯加工方法。由于载流子迁移率高，石墨烯在太赫兹波段时存在与金属类似的强局部等离子体效应，可以同电磁波发生表面等离激元共振，同时石墨烯的电导率又可以通过外加偏置电压或化学掺杂的方式进行动态调控。所以石墨烯超表面作为金属的替代电磁材料在太赫兹波段得到了极高的关注度。通过外加电压可以改变石墨烯材料的费米能级，进而改变石墨烯材料内部的载流子浓度，因此可以实现对入射电磁波的调控作用。此外，石墨烯超表面微结构单元尺寸的改变也会影响入射电磁波和石墨烯微结构之间的相互作用，改变太赫兹波的电磁特性。石墨烯超表面包含费米能级和结构单元尺寸两个调节变量，增加了调控电磁波的空间自由度，适用于太赫兹波在6g通信传输中的动态波前调控。
6.综上所述，现有的石墨烯超表面主要实现对电磁波幅值强度的调控，大多用作完美吸波器。由于石墨烯本身的高阻抗特性，难以实现对电磁波相位的大范围调控，这限制了对电磁波波束偏转角度的灵活调控。对石墨烯灵活调控的基本方式是电控，电控就会要求在设计石墨烯超表面结构时考虑电线分布，这也限制了石墨烯超表面在波束调控方向的应用。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，以提高电磁波波前空间调控的自由度。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
9.一种用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，包括：导电氧化物反射层、柔性基底层和超表面结构层；所述导电氧化物反射层位于所述柔性基底层的下层表面；所述超表面结构层嵌套于所述柔性基底层的内部；其中，所述导电氧化物反射层与所述超表面结构层之间构成法布里珀罗谐振腔；
10.所述超表面结构层由若干个级联超级单元排布而成，且各所述级联超级单元的两端分别外加偏置电压，以分别调节各所述级联超级单元的费米能级；所述级联超级单元由若干个超级单元连接而成；所述超级单元由构成相位梯度且相位覆盖为2π的若干个微结构单元连接而成；所述微结构单元由相互垂直的石墨烯短条和石墨烯长条构成；其中，构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的长度相等，宽度不等，且互不连通；构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯长条的长度相等，宽度相等，且纵向级联。
11.可选地，构成一个超级单元的各微结构单元的相位梯度能够被2π整除，且微结构单元的个数等于2π与所述相位梯度的比值。
12.可选地，构成所述超表面结构层的各级联超级单元的相位梯度能够被2π整除，且级联超级单元的列数等于2π与所述相位梯度的比值的整倍数。
13.可选地，当所述相位梯度为45
°
时，构成一个超级单元的微结构单元的个数为8，构成所述超表面结构层的级联超级单元的列数为8的整倍数；当所述相位梯度为60
°
时，构成一个超级单元的微结构单元的个数为6，构成所述超表面结构层的级联超级单元的列数为6的整倍数；当所述相位梯度为90
°
时，构成一个超级单元的微结构单元的个数为4，构成所述超表面结构层的级联超级单元的列数为4的整倍数。
14.可选地，构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的宽度是采用三维电
磁场仿真软件仿真模拟确定的。
15.可选地，所述柔性基底层的厚度为50μm；所述超表面结构层与所述柔性基底层的上层表面的距离为10μm；所述石墨烯短条的长度为140μm；所述石墨烯长条的长度为150μm；所述石墨烯长条的宽度为40μm。
16.可选地，当构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的宽度依次为20μm、51μm、61.5μm和105μm时，所述超级单元的工作频点为1.08thz。
17.可选地，当构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的宽度依次为20μm、65μm、75μm和100μm时，所述超级单元的工作频点为0.96thz。
18.可选地，各所述级联超级单元的费米能级的调节范围为0-1ev。
19.可选地，所述导电氧化物反射层的材料为pedot:pss；所述柔性基底层的材料为pdms；所述超表面结构层的材料为石墨烯。
20.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
21.本发明采用若干级联超级单元排布构成超表面结构层，且各级联超级单元的两端分别外加偏置电压，从而能够分别调节各级联超级单元的费米能级，因此以改变费米能级为基础实现了x(或y)方向上智能调控太赫兹波束偏转的效果。由于构成超级单元的微结构单元中设置有相互垂直的石墨烯短条和石墨烯长条，并且，构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的长度相等，宽度不等，且互不连通，构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯长条的长度相等，宽度相等，且纵向级联，因此基于结构尺寸和机械力拉伸基底的可调性，在y(或x)方向上实现了太赫兹波束从某个角度到某个角度的连续可调。石墨烯短条的存在提高了超表面局部等离激元共振，增加了相位梯度覆盖的调控范围，使仅通过调节费米能级在x(或y)方向的相位覆盖范围达到2π。此外，导电氧化物反射层与超表面结构层之间构成法布里珀罗谐振腔，使二者之间的相互作用加强，增强响应电磁波的强度。与现有技术相比，本发明提供的双向可调柔性超表面同时具有各向异性太赫兹波束偏转和双向可调的功能，提高了电磁波波前空间调控的自由度。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明提供的柔性超表面的结构示意图；
24.图2为本发明提供的微结构单元的立体图；
25.图3为本发明提供的微结构单元的俯视图；
26.图4为本发明提供的石墨烯短条宽度不一的微结构单元对应的模拟散射幅值强度和相位图；
27.图5为本发明提供的级联超级单元反射电磁波的仿真模拟结果图；其中，a是费米能级ef为0时，石墨烯超表面正常反射时的电场分布，b、c、d、e分别是ef为0.9ev时，石墨烯超表面沿石墨烯短条宽度方向拉伸100％、110％、120％、130％产生异常偏转角度的电场分布；
28.图6为本发明提供的费米能级调控反射电磁波的仿真模拟结果图；其中，a是相位梯度为90
°
的四列级联石墨烯超表面结构产生异常偏转角度的电场分布，b是相位梯度为60
°
的六列级联石墨烯超表面结构产生异常偏转角度的电场分布。
29.符号说明：
30.导电氧化物反射层-1，柔性基底层-2，和超表面结构层-3，超级单元-4，微结构单元-5，石墨烯长条-6，石墨烯短条-7。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明的目的是提供一种用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，以提高电磁波波前空间调控的自由度。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.图1为本发明提供的柔性超表面的结构示意图，图2和图3分别为本发明提供的微结构单元的立体图和俯视图。如图1、图2和图3所示，本发明提供的双向可调柔性超表面包括：导电氧化物反射层1、柔性基底层2和超表面结构层3。其中，所述导电氧化物反射层1位于所述柔性基底层2的下层表面；所述超表面结构层3嵌套于所述柔性基底层2的内部；优选地，所述导电氧化物反射层1的材料为pedot:pss、ito薄膜等；所述柔性基底层2的材料为pdms；所述超表面结构层3的材料为石墨烯。所述石墨烯的温度为293k，松弛时间为1ps，费米能级可调。
35.其中，将导电氧化物喷涂到柔性基底层2的表面作为导电氧化物反射层1，以反射入射太赫兹波(其入射方向参见图1)，并可以在柔性基底层2拉伸时保持良好的反射性能。导电氧化物反射层1和超表面结构层3之间构成法布里珀罗(febry-p
é
rot)谐振腔，以增强反射电磁波的共振强度。
36.所述超表面结构层3由若干个级联超级单元排布而成，且各所述级联超级单元的两端分别外加偏置电压vg(g＝1,2,...,n，其中n为级联超级单元的个数)，以分别调节各所述级联超级单元的费米能级。其中，各所述级联超级单元的费米能级的调节范围为0-1ev。
37.具体地，石墨烯调控原理如下：
38.石墨烯的电磁特性由电导率控制，可以通过化学掺杂、外加偏置电压或磁场改变石墨烯的载流子密度进而改变费米能级，由此实现石墨烯电导率的调节。在进行有限元仿真分析时，通常把石墨烯视为没有厚度的阻抗表面。单层石墨烯的表面电导率可以通过kubo公式建立物理模型，分别由载流子的带间迁移和带内迁移两部分构成，但是由于石墨烯电导率的带间迁移部分在太赫兹和远红外光区域内影响较小可忽略不计，太赫兹波段石墨烯电导率σ(ω)主要是由带内迁移所决定，其数值可由类drude物理模型描述：
[0039][0040]
其中，i是虚部单位，e是单个电子的带电量，是约化普朗克常量，ef为费米能级，ω为入射电磁波的角频率，τ是数值为1ps的松弛时间。因此，石墨烯不仅在太赫兹波段存在与金属类似的表面等离子体特性，且其电导率可以通过费米能级ef进行调控。
[0041]
费米能级ef和外加偏置电压vg之间的大致关系可以由下式表示：
[0042][0043]
其中，ε0是真空介电常数，εr是相对介电常数，t是石墨烯的厚度，vf是费米速度。
[0044]
所述级联超级单元由若干个超级单元4连接而成；所述超级单元4由构成相位梯度且相位覆盖为2π的若干个微结构单元5连接而成；所述微结构单元5由相互垂直的石墨烯短条7和石墨烯长条6构成；其中，构成一个超级单元4的各微结构单元5中的石墨烯短条7的长度相等，宽度不等，且互不连通；构成一个超级单元4的各微结构单元5中的石墨烯长条6的长度相等，宽度相等，且纵向级联。并且，所述石墨烯短条7的长度小于所述石墨烯长条6的长度。优选地，构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的宽度是采用三维电磁场仿真软件(例如cst、studio suite、ansys hfss等)仿真模拟确定的。
[0045]
进一步地，构成一个超级单元4的各微结构单元5的相位梯度能够被2π整除，且微结构单元5的个数等于2π与所述相位梯度的比值。构成所述超表面结构层的各级联超级单元的相位梯度能够被2π整除，且级联超级单元的列数等于2π与所述相位梯度的比值的整倍数。其中，构成一个超级单元4的各微结构单元5的相位梯度与构成所述超表面结构层的各级联超级单元的相位梯度相等。当一个级联超级单元中仅包括一个超级单元4，且级联超级单元的列数等于2π与所述相位梯度的比值时，则构成超表面结构层的最小周期阵列。
[0046]
具体地，微结构单元5是由两条尺寸不同的石墨烯条相互垂直交叉组成的十字形石墨烯贴片，其中一条石墨烯贯穿微结构单元尺寸，整体结构处于连通状态，两边外加电压，称为石墨烯长条6；另一条长度小于单元结构尺寸，整体不连通，两边不外加电压，称为石墨烯短条7。由不同宽度尺寸的石墨烯短条7组成相位梯度超表面，并把这个相位梯度表面看作是一个超级单元4，在一方向上构成以超级单元4为周期的阵列结构。同时，通过外加电压于级联的石墨烯长条的两边，可以控制整个级联超级单元的费米能级ef，进而在垂直方向搭建相位梯度超表面。因而，本发明可以通过调节石墨烯结构参数和费米能级以及柔性基底的拉伸(其拉伸方向参见图1)，在相互垂直的两个方向上实现可调节的电磁波异常偏转效果。
[0047]
本发明基于相位梯度原理实现不同的太赫兹波异常偏转效果，其理论异常偏转角度可通过广义斯涅尔反射定律求得：
[0048][0049]
其中，θr、θi分别为电磁波的反射角和入射角，ni是入射媒介的折射率，λ0是真空中的电磁波波长，dφ/dx是x方向上相邻微结构单元产生的相位梯度。由于本发明只研究从空
气中垂直入射的情况，即入射角θi＝0，空气折射率ni＝1，异常偏转角度的理论计算公式为：
[0050][0051]
根据广义斯涅尔反射定律，当相位梯度为45
°
、60
°
、90
°
时，对应组成相位梯度超表面的微结构单元个数分别为8、6、4。
[0052]
超级单元周期阵列相位调控：当石墨烯没有外加电压激励时，其费米能级的数值设置为0ev，此时的石墨烯超表面不具有波前调控功能，即垂直入射到超表面的电磁波将会被正常垂直反射(其仿真模拟结果参见图5中的a部分)。将费米能级的数值设定在大于0ev(作为演示，本发明以设定值为0.9ev举例)时，石墨烯微结构会产生强烈的局部等离子激元共振，与入射电磁波发生耦合响应，影响响应电磁波的幅值强度、相位变化。由宽度不同的石墨烯短条组成超级单元周期阵列，修改宽度尺寸参数使各微结构单元在振幅强度趋于一致的情况下，每个微结构单元之间存在特定的相位差值，构成相位覆盖2π的梯度超表面。由于基底是柔性可拉伸的，使用机械力分别对基底拉伸(拉伸程度为100％-130％)，对应的偏转角度有连续的变化。
[0053]
级联石墨烯长条相位调控：在确定石墨烯短条周期阵列的结构尺寸后，可以通过调节级联石墨烯长条的费米能级ef控制每列超级单元周期阵列的相位分布，在垂直方向构建相位梯度超表面，由不同的费米能级值控制不同的相位梯度数值，实现外加电压控制的可调偏转角。
[0054]
作为一种具体的实施方式，所述柔性基底层2的厚度为50μm；所述超表面结构层3与所述柔性基底层2的上层表面的距离为10μm；所述石墨烯短条7的长度为140μm；所述石墨烯长条6的长度为150μm；所述石墨烯长条6的宽度为40μm。
[0055]
其中，当构成一个超级单元4的各微结构单元5中的石墨烯短条7的宽度依次为20μm、51μm、61.5μm和105μm时，所述超级单元4的工作频点为1.08thz。当构成一个超级单元4的各微结构单元5中的石墨烯短条7的宽度依次为20μm、65μm、75μm和100μm时，所述超级单元4的工作频点为0.96thz。
[0056]
下面提供一个具体实施例，以对本发明提供的用于实现太赫兹波束偏转功能的双向可调柔性超表面的具体结构和工作机制进行详细说明。
[0057]
在本实施例中，石墨烯超表面自下而上包括导电氧化物(本实施例中使用pedot:pss)反射层、介电常数为1.988的聚二甲基硅氧烷(pdms)柔性基底层、嵌套在柔性基底中的石墨烯超表面结构层。其中，pedot:pss喷涂到pdms表面作为导电层反射入射太赫兹波，厚度忽略不计，pdms的厚度h＝50μm，石墨烯结构距上层pdms的距离d＝10μm。如图2和图3所示，石墨烯层微结构单元(包含其外部的柔性基底层)的长度和宽度相同p＝150μm，横向石墨烯条(即石墨烯短条)的长度l
x
＝140μm、宽度w2可调；纵向石墨烯条(即石墨烯长条)的长度ly＝p＝150μm，宽度w1＝40μm。石墨烯的材料参数为：温度t＝293k，松弛时间τ＝1ps，费米能级ef可调。
[0058]
如图1所示，y(或x)极化太赫兹波沿z轴负方向垂直入射，与石墨烯超表面结构发生耦合共振，经由pedot:pss反射层的响应电磁波几乎全部反射。通过cst仿真模拟，优化可调参数石墨烯短条宽度w2，确定相位梯度为90
°
的四个不同微结构单元尺寸。由四个石墨烯短条宽度w2为20μm、51μm、61.5μm、105μm的微结构单元构成一个超级单元。给定石墨烯的费
米能级为0.9ev，此时石墨烯结构具有与金属相同的等离子体效应，与太赫兹波发生响应，影响响应电磁波的波前特性。当电磁波激励与此结构发生耦合共振响应时，会在太赫兹(0.1-10thz，本发明以1.08thz为例)附近的工作频带于两两微结构单元之间产生90
°
的相位差，四个微结构单元在工作频带产生的电磁波幅值和相位如图4所示，由于满足2π相位覆盖，使反射电磁波产生如图5中的b部分所示的30
°
左右的异常偏转角度。
[0059]
随后，通过机械力拉伸柔性基底pdms，石墨烯结构的电导率几乎没有变化，但是微结构单元长度发生变化，偏转角度也随之而变。如图5中的c部分、d部分和e部分所示，当拉伸比例分别为110％、120％、130％时，对应的太赫兹波偏转角度分别以3
°
左右的梯度递减，之后继续增加拉伸比例，此结构参数已经不再具备明显偏转入射电磁波的功能。所以，由四个微结构单元为超级单元组成的相位梯度超表面结构可以实现异常偏转角度一定范围的连续可调。
[0060]
确定超级单元周期阵列的结构尺寸后，通过cst对级联石墨烯长条结构的费米能级ef进行参数优化扫描分析，当x(或y)极化入射电磁波的频率为1.223thz附近的频带时，在0-1ev的范围内调节费米能级ef数值，使反射电场波的相位突变覆盖近似2π。如图6中的a部分所示，当相位梯度dφ/dx为90
°
时，四列级联石墨烯结构在x(或y)方向构成一个偏转周期，对应的费米能级ef分别为0.21ev、0.45ev、0.66ev、0.9ev，反射电磁波的振幅强度大于60％，异常偏转角度为24
°
；如图6中的b部分所示，当相位梯度为60
°
时，六列级联石墨烯结构在x方向上构成一个偏转周期，对应的费米能级ef分别为0.1ev、0.27ev、0.43ev、0.57ev、0.7ev、0.85ev，反射电磁波的振幅强度大于50％，异常偏转角度为15.8
°
。
[0061]
本发明提供的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，自下而上包括导电氧化物(例如pedot:pss，ito薄膜等)反射层、柔性基底层、嵌套在柔性基底层中的可拉伸且导电性可调的半金属材料(例如石墨烯)结构。其中，导电氧化物喷涂到柔性基底表面作为导电层反射入射太赫兹波，并可以在柔性基底被拉伸时保持良好的反射性能。底层导电氧化物反射层和首层石墨烯超表面结构之间构成法布里珀罗谐振腔，增强反射电磁波的共振强度和相位调控范围。石墨烯层微结构单元是由两条尺寸不同的石墨烯条相互垂直交叉组成的十字形石墨烯贴片，其中一条石墨烯贯穿微结构单元尺寸，整体结构处于连通状态，两边外加电压，称为石墨烯长条；另一条长度小于单元结构尺寸，整体不连通，两边不外加电压，称为石墨烯短条。由不同宽度尺寸的石墨烯短条组成相位梯度超表面，并把这个相位梯度表面看作是一个超级单元，在某一方向上构成以超级单元为周期的阵列结构。同时，基于对石墨烯短条宽度数值的调节和柔性基底的拉伸，以及给定能满足等离子体响应的费米能级ef数值，实现某一方向太赫兹波束异常偏转的连续可调功能。通过外加电压于级联石墨烯长条的两边，可以控制整个级联超级单元的费米能级ef，从而对每列级联超级单元周期阵列的响应进行电磁(幅值、相位、极化态)调控，构成相位梯度数值不同的超表面，实现通过外加电压控制的不同偏转角度。因此，本发明可以在相互垂直的两个方向上用不同的方式各自实现可调节的电磁波异常偏转功能。
[0062]
综上所述，本发明通过简单的谐振结构，利用石墨烯材料的可调导电性和延展性实现了对太赫兹波束的多维度自由调控。并且，本发明提出的柔性超表面器件具有双向可独立调控的多相位状态，可有效提升6g太赫兹通信信号调制的灵活性，增大无线信号覆盖范围。
[0063]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0064]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，包括：导电氧化物反射层、柔性基底层和超表面结构层；所述导电氧化物反射层位于所述柔性基底层的下层表面；所述超表面结构层嵌套于所述柔性基底层的内部；其中，所述导电氧化物反射层与所述超表面结构层之间构成法布里珀罗谐振腔；所述超表面结构层由若干个级联超级单元排布而成，且各所述级联超级单元的两端分别外加偏置电压，以分别调节各所述级联超级单元的费米能级；所述级联超级单元由若干个超级单元连接而成；所述超级单元由构成相位梯度且相位覆盖为2π的若干个微结构单元连接而成；所述微结构单元由相互垂直的石墨烯短条和石墨烯长条构成；其中，构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的长度相等，宽度不等，且互不连通；构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯长条的长度相等，宽度相等，且纵向级联。2.根据权利要求1所述的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，构成一个超级单元的各微结构单元的相位梯度能够被2π整除，且微结构单元的个数等于2π与所述相位梯度的比值。3.根据权利要求2所述的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，构成所述超表面结构层的各级联超级单元的相位梯度能够被2π整除，且级联超级单元的列数等于2π与所述相位梯度的比值的整倍数。4.根据权利要求3所述的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，当所述相位梯度为45
°
时，构成一个超级单元的微结构单元的个数为8，构成所述超表面结构层的级联超级单元的列数为8的整倍数；当所述相位梯度为60
°
时，构成一个超级单元的微结构单元的个数为6，构成所述超表面结构层的级联超级单元的列数为6的整倍数；当所述相位梯度为90
°
时，构成一个超级单元的微结构单元的个数为4，构成所述超表面结构层的级联超级单元的列数为4的整倍数。5.根据权利要求1所述的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的宽度是采用三维电磁场仿真软件仿真模拟确定的。6.根据权利要求1所述的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，所述柔性基底层的厚度为50μm；所述超表面结构层与所述柔性基底层的上层表面的距离为10μm；所述石墨烯短条的长度为140μm；所述石墨烯长条的长度为150μm；所述石墨烯长条的宽度为40μm。7.根据权利要求6所述的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，当构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的宽度依次为20μm、51μm、61.5μm和105μm时，所述超级单元的工作频点为1.08thz。8.根据权利要求6所述的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，当构成一个超级单元的各微结构单元中的石墨烯短条的宽度依次为20μm、65μm、75μm和100μm时，所述超级单元的工作频点为0.96thz。9.根据权利要求1所述的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，各所述级联超级单元的费米能级的调节范围为0-1ev。10.根据权利要求1所述的用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，其特征在于，所述导电氧化物反射层的材料为pedot:pss；所述柔性基底层的材料为pdms；所述超表
面结构层的材料为石墨烯。

技术总结
本发明公开一种用于实现太赫兹波束偏转的双向可调柔性超表面，涉及新型人工电磁超表面与太赫兹无线通信技术领域，包括：导电氧化物反射层、柔性基底层和超表面结构层；导电氧化物反射层位于柔性基底层的下层表面；超表面结构层嵌套于柔性基底层的内部；超表面结构层由若干个级联超级单元排布而成，且各级联超级单元的两端分别外加偏置电压；级联超级单元由若干个超级单元连接而成；超级单元由若干个微结构单元连接而成；微结构单元由相互垂直的石墨烯短条和石墨烯长条构成；各超级单元中的石墨烯短条的长度相等，宽度不等，且互不连通，石墨烯长条的长度相等，宽度相等，且纵向级联。本发明能够提高电磁波波前空间调控的自由度。发明能够提高电磁波波前空间调控的自由度。发明能够提高电磁波波前空间调控的自由度。


技术研发人员：杨丰瑗 王倩 韩皓 王楠 毛金贤
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/31