技术领域本发明涉及人工微结构电磁学与电磁超材料领域，是基于人工超表面和旋磁性基地组合的动态可调微波器件的研究，尤其涉及一种基于金属薄膜反结构的旋磁衬底超表面。
背景技术：
新型人工电磁材料的Fano谐振首先在非对称谐振环阵列中被发现，破坏谐振单元几何结构的对称性即可调控新型人工电磁材料的电磁响应，该人工结构可被定义为具有束缚共振模的新型人工电磁材料，谐振单元之间强烈的相互作用导致Fano谐振的出现。南安普敦大学的研究小组在微波段利用新型人工电磁材料实现了电磁诱导透明现象(EIT)，避免了以往电磁诱导透明研究领域的诸多难题及复杂的实验条件，他们仅利用双层结构激发Fano现象，实现了电磁诱导透明。利用辐射模与暗模之间的Fano耦合作用，表面等离子体新型人工电磁材料也可显示出EIT现象。太赫兹波段的电磁诱导透明，全方位偏振自由新型人工电磁材料和高温超导体新型人工电磁材料的Fano效应等工作也被陆续报道。控制人工超表面电磁Fano及EIT响应的打破对称性的方法主要有两种，一个是打破固有的对称性，一个是对破外在的对称性。近年来，各种打破几何对称性及空间对称性的报导层出不穷，包括采用开口谐振环和不对称金属棒二聚体等。但是，近来利用材料自身的外场响应特性来实现对称性破缺，通过引入磁导率可调的钇铁石榴石材料(YIG)打破时间反演对称性及空间变换对称性，结合耦合模理论方程得到反射系数，并通过对反射系数各个参数的调控，得到可控的反射谱。不仅可以结构简单，易于制备，并且可以在不改变几何参数的情况下，可以自由调控反射率和反射特性，以及其单向性。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种提出在具有反结构天线特征的表面中引入旋光材料衬底。这种超表面由于衬底的外磁场响应特性，能够激发出反结构天线中的对称模式和非对称模式。使两种模式的共振频率相互靠近，使两者的散射场发生相干作用，能实现反射谱上的Fano线型。对称模式的品质因子Q值小，反射谱比较宽，在很大的频段内实现了带阻滤波的能力。而非对称模式的品质因子Q值很大，反射谱峰值尖锐，又能得到很窄频段内的带通滤波。结合这种具有反结构的金属薄膜和旋磁材料衬底的超表面的色散关系和能带理论，给出了非对称模式的“能带图”。根据“能带图”可以灵活设计入射光的倾斜角度，来实现非对称模式的Q值大小和共振的位置。并且可以在特定角度完全抑制非对称模式的激发。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种基于金属薄膜反结构的旋磁衬底超表面，该超表面包含np个基本单元结构，np为大于等于2的整数，所述基板单元结构包括上层人工微结构和下层衬底，其上层人工微结构为超薄型贴片结构，其厚度在微波波段1-2GHz小于1毫米，为具有沟槽的完美电导体材料，其表面具有反结构天线特征的金属薄膜，其下层衬底为具有外磁场响应特性旋磁材料，能够激发出反结构天线中的对称模式和非对称模式，使两种模式的共振频率相互靠近，使两者的散射场发生相干作用，能实现反射谱上的Fano线型。作为本发明的进一步改进，所述基本单元结构包含两条尺寸完全相同的平行沟槽，沟槽内不填充任何特殊物质，为空气。作为本发明的进一步改进，所述平行沟槽存在对称型和反对称型两种共振模式。作为本发明的进一步改进，所述对称型模式的品质因子Q值小，谱比较宽，在很大的频段内实现了带阻滤波的能力；所述非对称型模式的品质因子Q值很大，反射谱峰值尖锐，又能得到很窄频段内的带通滤波作为本发明的进一步改进，所述超表面通过改变外加静磁场的强弱来控制旋磁材料的自身特性，可以在不改变几何尺寸的情况下，通过调控静磁场大小实现带阻频段的动态调控。作为本发明的进一步改进，所述完美电导体材料为金属材料，所述金属材料包括铜、铝、铁。作为本发明的进一步改进，所述具有外磁场响应特性旋磁材料为铁氧体。本发明的有益效果是：1.本发明提出的超表面，结构为超薄型贴片结构，其厚度在微波波段1-2GHz小于1毫米。超表面整体体积很薄，非常适合应用于小体积集成电磁器件。2.由于构成本发明提出的超表面的金属在低频波段(1-2GHz)可看作是完美电导体，因此波导的损耗很小，属于一种无损器件。电磁波在该波导中的传输距离较长可用作远距离的导波装置。3.本发明提出的超表面可以通过控制外加静磁场来控制共振位置，相比于通过改变几何尺寸来说，更加方便快捷。4.本发明除了上述的功能性有益效果还具备制作简单，成本较低，可简单采用PCB加工工艺进行制作。附图说明图1(a)为基于金属薄膜反结构的旋磁衬底超表面示意图；图1(b)为该超表面的单元结构；图2中为研究巴比涅原理示意图；图3中为该超表面的反射率随入射微波的频率变化图；图4中为对应于两个模式共振频率处磁场的强度分布；图5中为系统中非对称模式的“能带图”；图6中为特定角度光入射时的反射率随频率变化图；其中图1(b)中1为表面微结构区域其中1和2为空气。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。如图1所示，本发明提出一种基于金属薄膜反结构的旋磁衬底超表面该超表面，包括两个部分，上层为具有微结构的完美电导体，下层为钇铁石榴石，其单元结构如附图1(b)所示。由附图1(b)可知该超表面的单元结构包含两个沟槽1和2。超表面包含np(np≥2)个基本单元结构，附图1(a)中以np＝4为例。本发明提出的这种超表面在实际应用中是超薄型贴片结构，可采用简单的PCB加工工艺制作。为了在反射谱上进行一些操作，首先研究了巴比涅原理。即一个结构和它对应的反结构在透射和反射、电场和磁场之间的关系。我们发现：1.一个结构，TE波入射时的透射谱，恰好与它的反结构TM波入射时的反射谱对应；2.一个结构，它的电偶极共振，恰好与它的反结构的磁偶极共振对应。如图2所示。为了设计想要的人工微结构，并定性地理解结构的共振特性，首先采用时域耦合模理论进行分析阐述。具有两个共振模式的时域耦合模公式为：其中，ωa为对称模式的共振频率，该谐振与自由空间耦合强，导致其损耗大，为明态(brightmode)；ωb为非对称模式的共振频率，由于它不能由外场直接激发，与自由空间的耦合弱，损耗低，为暗态(darkmode)。κ为明态和暗态之间的耦合系数，是个复数。a,b和Sin对于时间的依赖性表示为eiωt。并且，a，b和Sin的幅度都是约化的值，α表征外场耦合进明态的阻尼系数。因为暗态不能直接被外场激发，故而为0。化简式(1)得到：因此，该系统的反射系数可由求解(2)得到。由(3)式可以看出，在两种模式的共振频率确定的情况下，耦合系数κ能决定反射特性。下面我们结合附图3给出一个具体的实施案例。衬底厚度h＝8.75mm、沟槽的长度l＝24.5mm，宽度w＝3.5mm。区域1和2中材料设定为空气，其他材料认为是完美电导体。附图3为该尺寸下由FDTD方法得到的超表面的反射率随频率的变化。从图中可以看到在很大频段的带阻范围内，有一段狭窄的通带(6.502GHz附近)。为了进一步理解YIG和倾斜入射微波的综合作用，我们计算了该系统中非对称模式的“能带图”(附图5)。发现非对称模式的共振频率和Q值的大小会随入射微波倾斜角度而变化，且存在一点，非对称模式的Q值发散(趋于无穷大)。为了研究发散点的奇异现象，我们找出发散点对应的kx数值为-0.18367。根据公式kx＝ksinθ＝ωsinθ/c，可以求得此时对应的入射角为θ＝-28.4°。控制入射光角度为θ＝-28.4°、0°、28.4°时，利用全波电磁仿真计算，分别求得三个角度的反射谱(附图6)。结果显示入射角度为θ＝-28.4°时，反射谱是一条平滑的线，并没有出现Fano线型。这和附图5所计算的“能带图”中发散点的现象相吻合。在这一频率点，旋磁材料衬底引入的对称破缺和入射微波倾斜所引起的对称破缺实现了抵消，从而完全抑制了非对称模式的激发。该系统由于非常尖锐的峰以及它的单向性，可以用作灵敏的角度探测。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。