本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种在微波段超薄传输式超表面相位调控基本单元。
背景技术：
超材料是由亚波长尺寸的单元周期或非周期排列构成的三维人工结构，其具有由天然材料无法比拟的电磁特性，例如负介电常数、负磁导率和负折射率等。但三维的超材料的损耗较大且不易于加工制造，因此研究人员们提出了由二维阵列构成的人工电磁超表面，其为超材料的二维形式。超表面具有质量轻、体积小、制造简单、损耗低等特点。通过合理地设计超表面基本单元的大小、形状以及材料等参数，并将其排列组合，可以实现对电磁波的相位、传输模式、极化态等的调控。进而，通过采用数字态编码来描述基本单元的状态，提出了数字编码超表面，以实现对电磁波更加灵活的控制。
相位是电磁波的重要物理参量，故相位调控是超表面研究的重要手段，在电磁波领域可以实现波束调节、波束扫描、汇聚成像和极化转换等应用。对于传输相位调控超表面，电磁波照射到超表面的表面，经过超表面基本单元实现对传输相位独立地调控，并且还需要保证入射的电磁波能量能够透过超表面，再次辐射到自由空间。
因此在传输相位调控超表面单元的设计中的难点为既要实现较宽范围的相位调制，同时又要有较好的透过率。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出可一种超薄传输式超表面相位调控基本单元，其具有超薄的结构、易于加工的优点。当入射电磁波照射到具有不同尺寸的金属结构的基本单元时，可实现大于270°传输相位调控范围且传输效率高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超薄传输式超表面相位调控基本单元，基本单元包括自上而下一次设置的表层金属结构层、上层介质板层、中间雪花型金属贴片、下层介质板层和底层金属结构层；所述表层金属结构层包括贴附于上层介质板层上表面的第一方形金属环和第一方形金属贴片，第一方形金属环位于四周边缘，第一方形贴片位于上层介质板层上表面的中央；所述中间雪花型金属贴片贴附于上层介质板层与下层介质板层的交界面处的中央；底层金属结构层包括依附于下层介质板层下表面的第二方形金属环和第二方形金属贴片，第二方形金属环位于四周边缘，第二方形贴片位于下层介质板层下表面的中央。
进一步的，所述基本单元的周期边长a为9-11mm；所述第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b的变化范围均为0.28-1.05mm；第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c的变化范围均为7.0-8.34mm；所述中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d变化范围为6.33-6.872mm，凹槽深度e变化范围为0.935-1.566mm，凹槽的宽度f均为2.4-2.6mm，从凹槽中心所引出的矩形长条的宽度g均为0.4-0.6mm，矩形长条的长度i变化范围为2.72-3.148mm；所述上层介质板层（2）和下层介质板层的厚度h均为0.4-0.6mm，介电常数均为2.8-3.2，损耗角正切均为-0.002-0.004，且上层介质板层和下层介质板层采用相同介质。
优选的，所述基本单元的周期边长a为10mm；所述第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b的变化范围均为0.38-0.95mm；第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c的变化范围均为7.1-8.24mm；所述中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d变化范围为6.43-6.772mm，凹槽深度e变化范围为1.035-1.466mm，凹槽的宽度f均为2.4-2.6mm，从凹槽中心所引出的矩形长条的宽度g均为0.4-0.6mm，矩形长条的长度i变化范围为2.82-3.048mm；所述上层介质板层和下层介质板层的厚度h均为0.5mm。
所述超表面基本单元共有13种基本状态；在正入射平面波的照射下独立地产生13种不同的相位响应，13种相位响应分别对应“0”-“12”数字态编码。
进一步的，13种基本单元的工作状态中，“0”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.95mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为7.1mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.43mm，凹槽深度e为1.035mm，矩形长条的长度i为2.82mm；“1”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.9mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为7.2mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.46mm，凹槽深度e为1.07mm，矩形长条的长度i为2.84mm；“2”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.85mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为7.3mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.49mm，凹槽深度e为1.105mm，矩形长条的长度i为2.86mm；“3”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.8mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为7.4mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.52mm，凹槽深度e为1.14mm，矩形长条的长度i为2.88mm；“4”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.75mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为7.5mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.55mm，凹槽深度e为1.175mm，矩形长条的长度i为2.9mm；“5”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.7mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为7.6mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.58mm，凹槽深度e为1.21mm，矩形长条的长度i为2.92mm；“6”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.65mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为7.7mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.61mm，凹槽深度e为1.245mm，矩形长条的长度i为2.94mm；“7”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.6mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为7.8mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.64mm，凹槽深度e为1.28mm，矩形长条的长度i为2.96mm；“8”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.55mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为7.9mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.67mm，凹槽深度e为1.315mm，矩形长条的长度i为2.98mm；“9”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.5mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为8.0mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.7mm，凹槽深度e为1.35mm，矩形长条的长度i为3.0mm；“10”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.45mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为8.1mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.73mm，凹槽深度e为1.385mm，矩形长条的长度i为3.02mm；“11”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.4mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为8.2mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.76mm，凹槽深度e为1.42mm，矩形长条的长度i为3.04mm；“11”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.4mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为8.2mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.76mm，凹槽深度e为1.42mm，矩形长条的长度i为3.04mm；“12”对应第一方形金属环和第二方形金属环的宽度b为0.38mm，第一方形金属贴片和第二方形金属贴片的边长c为8.24mm，且中间雪花型金属贴片的带凹槽方形的边长d为6.772mm，凹槽深度e为1.466mm，矩形长条的长度i为3.048mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明区别于传统的利用等效媒质参数对超表面进行分析与设计的方案，从数字编码的角度分析和设计超表面，极大的简化了设计过程；
2.本发明通过调节基本单元金属结构的尺寸参数，实现了较宽的传输相位响应范围，且传输效率高。
3.本发明加工简单，便于实现，仅依靠简单的金属图样，在微波频段内易于制备加工。
附图说明
图1是本发明中基本单元的正面结构示意图；
图2是本发明中基本单元的反面结构示意图；
图3是本发明中基本单元的中间雪花型金属贴片的示意图；
图4是本发明中基本单元的截面结构示意图；
其中：1-表层金属结构、11-第一方形金属环、12-第一方形金属贴片，2-上层介质板层，3-中间雪花型金属贴片，4-下层介质板层，5-底层金属结构，51-第二方形金属环，52-第二方形金属贴片；a为基本单元的周期边长，b为方形金属环宽度，c为方形金属贴片边长，d为雪花型金属贴片的带凹槽方形边长，e为雪花型金属贴片的凹槽深度，f为雪花型金属贴片的凹槽宽度，g为雪花型金属贴片的矩形长条宽度，i为雪花型金属贴片的矩形长条长度，h为介质板层厚度；
图5是本发明中基本单元的性能结果，图5（a）是基本单元的传输相位响应，5（b）为基本单元的幅度响应。
具体实施方式
如图1-4所示一种超薄传输式超表面相位调控基本单元，基本单元包括自上而下一次设置的表层金属结构层1、上层介质板层2、中间雪花型金属贴片3、下层介质板层4和底层金属结构层5；所述表层金属结构层1包括贴附于上层介质板层2上表面的第一方形金属环11和第一方形金属贴片12，第一方形金属环11位于四周边缘，第一方形贴片12位于上层介质板层2上表面的中央；所述中间雪花型金属贴片3贴附于上层介质板层2与下层介质板层4的交界面处的中央；底层金属结构层5包括依附于下层介质板层4下表面的第二方形金属环51和第二方形金属贴片52，第二方形金属环51位于四周边缘，第二方形贴片52位于下层介质板层4下表面的中央。
作为一个优选方案，表层金属结构层1和上层介质板层2与下层介质板层4和底层金属结构层关于中间雪花型金属贴片3所在的平面对称设置。
所述基本单元的周期边长a为9-11mm；所述第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b的变化范围均为0.28-1.05mm；第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c的变化范围均为7.0-8.34mm；所述中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d变化范围为6.33-6.872mm，凹槽深度e变化范围为0.935-1.566mm，凹槽的宽度f均为2.4-2.6mm，从凹槽中心所引出的矩形长条的宽度g均为0.4-0.6mm，矩形长条的长度i变化范围为2.72-3.148mm；所述上层介质板层2和下层介质板层4的厚度h均为0.4-0.6mm，介电常数均为2.8-3.2，损耗角正切均为-0.002-0.004，且上层介质板层2和下层介质板层4采用相同介质。
作为一个优选方案，所述基本单元的周期边长a为10mm；所述第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b的变化范围均为0.38-0.95mm；第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c的变化范围均为7.1-8.24mm；所述中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d变化范围为6.43-6.772mm，凹槽深度e变化范围为1.035-1.466mm，凹槽的宽度f均为2.4-2.6mm，从凹槽中心所引出的矩形长条的宽度g均为0.4-0.6mm，矩形长条的长度i变化范围为2.82-3.048mm；所述上层介质板层2和下层介质板层4的厚度h均为0.5mm。
所述超表面基本单元共有13种基本状态；在正入射平面波的照射下独立地产生13种不同的相位响应，13种相位响应分别对应“0”-“12”数字态编码。
具体而言，13种基本单元的工作状态中，“0”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.95mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为7.1mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.43mm，凹槽深度e为1.035mm，矩形长条的长度i为2.82mm；“1”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.9mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为7.2mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.46mm，凹槽深度e为1.07mm，矩形长条的长度i为2.84mm；“2”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.85mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为7.3mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.49mm，凹槽深度e为1.105mm，矩形长条的长度i为2.86mm；“3”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.8mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为7.4mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.52mm，凹槽深度e为1.14mm，矩形长条的长度i为2.88mm；“4”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.75mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为7.5mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.55mm，凹槽深度e为1.175mm，矩形长条的长度i为2.9mm；“5”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.7mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为7.6mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.58mm，凹槽深度e为1.21mm，矩形长条的长度i为2.92mm；“6”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.65mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片5的边长c为7.7mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.61mm，凹槽深度e为1.245mm，矩形长条的长度i为2.94mm；“7”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.6mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为7.8mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.64mm，凹槽深度e为1.28mm，矩形长条的长度i为2.96mm；“8”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.55mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为7.9mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.67mm，凹槽深度e为1.315mm，矩形长条的长度i为2.98mm；“9”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.5mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为8.0mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.7mm，凹槽深度e为1.35mm，矩形长条的长度i为3.0mm；“10”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.45mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为8.1mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.73mm，凹槽深度e为1.385mm，矩形长条的长度i为3.02mm；“11”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.4mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为8.2mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.76mm，凹槽深度e为1.42mm，矩形长条的长度i为3.04mm；“11”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.4mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为8.2mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.76mm，凹槽深度e为1.42mm，矩形长条的长度i为3.04mm；“12”对应第一方形金属环11和第二方形金属环51的宽度b为0.38mm，第一方形金属贴片12和第二方形金属贴片52的边长c为8.24mm，且中间雪花型金属贴片3的带凹槽方形的边长d为6.772mm，凹槽深度e为1.466mm，矩形长条的长度i为3.048mm。
如图5所示，当正入射平面波照射在超表面单元表面时，在频点为10.3ghz处，“0”-“12”数字态编码单元的相位响应从-251°变化至-546°，相位调控范围约为295°，进一步可以实现2-比特数字编码超表面。由图5（b）可知，在10.3ghz的频率下，13种数字态编码基本单元的幅度响应均大于-2db，其表明了单元均具有高的传输率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种超薄传输式超表面相位调控基本单元，其特征在于：基本单元包括自上而下一次设置的表层金属结构层（1）、上层介质板层（2）、中间雪花型金属贴片（3）、下层介质板层（4）和底层金属结构层（5）；所述表层金属结构层（1）包括贴附于上层介质板层（2）上表面的第一方形金属环（11）和第一方形金属贴片（12），第一方形金属环（11）位于四周边缘，第一方形贴片（12）位于上层介质板层（2）上表面的中央；所述中间雪花型金属贴片（3）贴附于上层介质板层（2）与下层介质板层（4）的交界面处的中央；底层金属结构层（5）包括依附于下层介质板层（4）下表面的第二方形金属环（51）和第二方形金属贴片（52），第二方形金属环（51）位于四周边缘，第二方形贴片（52）位于下层介质板层（4）下表面的中央。
2.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期边长a为9-11mm；所述第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b的变化范围均为0.28-1.05mm；第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c的变化范围均为7.0-8.34mm；所述中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d变化范围为6.33-6.872mm，凹槽深度e变化范围为0.935-1.566mm，凹槽的宽度f均为2.4-2.6mm，从凹槽中心所引出的矩形长条的宽度g均为0.4-0.6mm，矩形长条的长度i变化范围为2.72-3.148mm；所述上层介质板层（2）和下层介质板层（4）的厚度h均为0.4-0.6mm，介电常数均为2.8-3.2，损耗角正切均为-0.002-0.004，且上层介质板层（2）和下层介质板层（4）采用相同介质。
3.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期边长a为10mm；所述第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b的变化范围均为0.38-0.95mm；第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c的变化范围均为7.1-8.24mm；所述中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d变化范围为6.43-6.772mm，凹槽深度e变化范围为1.035-1.466mm，凹槽的宽度f均为2.4-2.6mm，从凹槽中心所引出的矩形长条的宽度g均为0.4-0.6mm，矩形长条的长度i变化范围为2.82-3.048mm；所述上层介质板层（2）和下层介质板层（4）的厚度h均为0.5mm。
4.根据权利要求1-3所述的基本单元，其特征在于：所述超表面基本单元共有13种基本状态；在正入射平面波的照射下独立地产生13种不同的相位响应，13种相位响应分别对应“0”-“12”数字态编码。
5.根据权利要求4所述的超表面基本单元，其特征在于：13种基本单元的工作状态中，“0”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.95mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为7.1mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.43mm，凹槽深度e为1.035mm，矩形长条的长度i为2.82mm；“1”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.9mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为7.2mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.46mm，凹槽深度e为1.07mm，矩形长条的长度i为2.84mm；“2”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.85mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为7.3mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.49mm，凹槽深度e为1.105mm，矩形长条的长度i为2.86mm；“3”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.8mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为7.4mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.52mm，凹槽深度e为1.14mm，矩形长条的长度i为2.88mm；“4”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.75mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为7.5mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.55mm，凹槽深度e为1.175mm，矩形长条的长度i为2.9mm；“5”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.7mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为7.6mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.58mm，凹槽深度e为1.21mm，矩形长条的长度i为2.92mm；“6”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.65mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为7.7mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.61mm，凹槽深度e为1.245mm，矩形长条的长度i为2.94mm；“7”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.6mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为7.8mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.64mm，凹槽深度e为1.28mm，矩形长条的长度i为2.96mm；“8”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.55mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为7.9mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.67mm，凹槽深度e为1.315mm，矩形长条的长度i为2.98mm；“9”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.5mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为8.0mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.7mm，凹槽深度e为1.35mm，矩形长条的长度i为3.0mm；“10”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.45mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为8.1mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.73mm，凹槽深度e为1.385mm，矩形长条的长度i为3.02mm；“11”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.4mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为8.2mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.76mm，凹槽深度e为1.42mm，矩形长条的长度i为3.04mm；“11”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.4mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为8.2mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.76mm，凹槽深度e为1.42mm，矩形长条的长度i为3.04mm；“12”对应第一方形金属环（11）和第二方形金属环（51）的宽度b为0.38mm，第一方形金属贴片（12）和第二方形金属贴片（52）的边长c为8.24mm，且中间雪花型金属贴片（3）的带凹槽方形的边长d为6.772mm，凹槽深度e为1.466mm，矩形长条的长度i为3.048mm。
技术总结