一种具有可编程非互易特性的透射式基本单元及超材料的制作方法

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具有可编程非互易特性的透射式电磁编码超材料。

背景技术：

新型人工电磁材料，亦称电磁超材料(metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是它们对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振系统与外加电磁场的相互作用来体现的。电磁超材料从媒质的角度定义了电磁波的行为，为微波器件的设计提供了新的思路和方法。不同于传统超材料，编码超材料传统超材料结构数字化，实现了对超材料的数字化编辑，为超材料的设计提供了一个新的维度。

非互易特性作为一种重要而且特殊的物理现象，目前已经广泛应用于光学和微波等器具设计中。经典的非互易器件如环形器等，已经广泛应用于雷达和通信等应用。传统非互易超材料大多基于磁性材料来实现。caloz等人在2017年提出了基于放大晶体管的非互易无磁超材料，实现了超薄的非互易传输超表面。此外，其他基于晶体管和场效应管等非互异器件的超材料也相继被提出。

然而，以上提到的超材料单元都是单向的，不可调控的，一旦设计好之后功能也就被确定下来。因此，这些超材料在功能性和应用性上都具有一定局限性。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有可编程非互易特性的透射式基本单元及超材料，通过控制放大晶体管的工作状态来改变超材料特性。设计特定的数字编码矩阵并通过fpga控制编码单元的状态将编码矩阵对应地赋予材料中的每个基本单元，其便可在依据不同的放大晶体管的工作状态来实现超材料不同的传输状态。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有可编程非互易特性的透射式基本单元，基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层、上层介质板层、全反射零透射层、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矩形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第二金属导线与第一矩形贴片的边框垂直相接，第一金属导线的一端与第二金属导线的中段垂直相接，所述第二金属导线上安装有表层调控晶体管，表层调控晶体管的底面与上层介质板层的上表面相接；底层金属结构层包括贴附于下层介质板层下表面的第二矩形贴片、第三金属导线和第四金属导线，第四金属导线与第二矩形贴片的边框垂直相接，第三金属导线的一端与第四金属导线的中段垂直相接，所述第四金属导线上安装有底层调控晶体管，底层调控晶体管的顶面与下层介质板层的下表面相接。

进一步的，所述基本单元的周期长度x为34-36mm，基本单元的周期宽度y为27.9-28.1mm；所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的长度z均为18.2-18.4mm；第一矩形贴片和第二矩形贴片的宽度w均为13.4-13.6mm；所述上层介质板层和下层介质板层的厚度h均为0.9-1.1mm，介电常数均为4.2-4.6，损耗角正切均为0.009-0.015，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长度x为35mm，基本单元的周期宽度y为28mm；所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的长度z均为18.3mm；第一矩形贴片和第二矩形贴片的宽度w均为13.5mm；所述上层介质板层和下层介质板层的厚度h均为1mm。

一种基本单元组成的超材料，所述超材料包括n×n个基本单元，n为非零正整数，n×n个基本单元采用方形矩阵排列。

进一步的，所述超材料的基本单元共有4种基本单元状态；通过可编程门阵列fpga控制基本单元中的表层调控晶体管和底层调控晶体管的导通和截止状态，得到对于每一个基本单元在正入射的线极化电磁波的照射下独立地产生4种数字态响应，4种数字态响应对应4种传输状态，4种数字态响应得到4个不同相位的数字态编码，4个不同相位数字态编码对应4种基本单元的表层调控晶体管和底层调控晶体管的导通和截止状态；通过基本单元不同的开关状态，实现不同方向的非互易传输或互易传输。

进一步的，4个数字态编码分别为“00”、“01”、“10”和“11”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。

进一步的，所述4个数字态编码“00”、“01”、“10”和“11”对应4种数字态响应，所述4种数字态响应分别对应的四种传输状态为正向非互易传输、反向非互易传输、双向互易传输和双向传输截止。

进一步的，4种基本单元的工作状态中，“00”对应表层调控晶体管/底层调控晶体管的工作状态为导通/导通，“01”对应表层调控晶体管/底层调控晶体管的工作状态为导通/截止，“10”对应表层调控晶体管/底层调控晶体管的工作状态截止/导通，“11”对应表层调控晶体管/底层调控晶体管的工作状态为截止/截止。

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材料进行分析与设计的方案，从数字编码的角度分析和设计超材料，极大的简化了设计过程；

2.本发明通过控制二极管的工作状态继而控制超材料单元的传输状态，使得所设计的电磁超材料具有可编程的功能；

3.本发明采用双向可调控的基本单元，通过调控晶体管工作状态，从而控制双向的非互易状态，实现不同的传输状态；

4.本发明具有一定的宽带特性，超材料的基本单元在宽频带内均能实现功能；

5.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截面结构示意图；

其中：1-表层金属结构层，11-第一矩形贴片，12-第一金属导线，13-第二金属导线，2-表层调控晶体管，3-上层介质板层，4-全反射零透射层，5-下层介质板层，6-下层调控晶体管，7-底层金属结构层，71-第二矩形贴片，72-第三金属导线，73-第四金属导线；x为基本单元的周期长度；y为基本单元的周期宽度；z为矩形贴片长度；w为矩形贴片宽度；h为介质板层的厚度；

图4是本发明中基本单元以及性能结果，其中：图4(a)是本发明中基本单元的立体示意图，4(b)是超材料s参数仿真结果；

图5是本发明中四种传输状态以及仿真结果，其中：图5(a)、5(c)、5(e)和5(g)是4种不同传输状态示意图；图5(b)、5(d)、5(f)和5(h)是4种不同传输状态的仿真s参数仿真结果；

图6是超材料的近场实验测试以及结果，其中，图6(a)是近场实验场景图，图6(b)是样品图，图6(c)、6(d)、6(e)和6(f)是4种不同传输状态的近场测试结果；

图7是超材料的远场实验测试以及结果，其中，图6(a)是远场实验场景图，图6(b)、6(c)和6(d)是三种不同传输状态的远场测试结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-3所示，一种具有可编程非互易特性的透射式基本单元，基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层1、上层介质板层3、全反射零透射层4、下层介质板层5和底层金属结构层7；所述表层金属结构层1包括贴附于上层介质板层3上表面的第一矩形贴片11、第一金属导线12和第二金属导线13，第二金属导线13与第一矩形贴片11的边框垂直相接，第一金属导线12的一端与第二金属导线13的中段垂直相接，所述第二金属导线13上安装有表层调控晶体管2，表层调控晶体管2的底面与上层介质板层3的上表面相接；底层金属结构层7包括贴附于下层介质板层5下表面的第二矩形贴片71、第三金属导线72和第四金属导线73，第四金属导线73与第二矩形贴片71的边框垂直相接，第三金属导线72的一端与第四金属导线73的中段垂直相接，所述第四金属导线73上安装有底层调控晶体管6，底层调控晶体管6的顶面与下层介质板层5的下表面相接。

作为一个优选方案，表层金属结构层1、表层调控晶体管2和上层介质板层3与底层金属结构层7、底层调控晶体管6和下层介质板层5相对于全反射零透射层4所在的平面对称设置。

所述基本单元的周期长度x为34-36mm，基本单元的周期宽度y为27.9-28.1mm；所述第一矩形贴片11和第二矩形贴片71的长度z均为18.2-18.4mm；第一矩形贴片11和第二矩形贴片71的宽度w均为13.4-13.6mm；所述上层介质板层3和下层介质板层5的厚度h均为0.9-1.1mm，介电常数均为4.2-4.6，损耗角正切均为0.009-0.015，且上层介质板层3和下层介质板层5采用相同介质。

作为一个优选方案，所述基本单元的周期长度x为35mm，基本单元的周期宽度y为28mm；所述第一矩形贴片11和第二矩形贴片71的长度z均为18.3mm；第一矩形贴片11和第二矩形贴片71的宽度w均为13.5mm；所述上层介质板层3和下层介质板层5的厚度h均为1mm。

一种基本单元组成的超材料，所述超材料包括n×n个基本单元，n为非零正整数，n×n个基本单元采用方形矩阵排列。

所述超材料的基本单元共有4种基本单元状态；通过可编程门阵列fpga控制基本单元中的表层调控晶体管2和底层调控晶体管6的导通和截止状态，得到对于每一个基本单元在正入射的线极化电磁波的照射下独立地产生4种数字态响应，4种数字态响应对应4种传输状态，4种数字态响应得到4个不同相位的数字态编码，4个不同相位数字态编码对应4种基本单元的表层调控晶体管2和底层调控晶体管6的导通和截止状态；通过基本单元不同的开关状态，实现不同方向的非互易传输或互易传输，其中，4个数字态编码分别为“00”、“01”、“10”和“11”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。

具体地讲，所述4个数字态编码“00”、“01”、“10”和“11”对应4种数字态响应，所述4种数字态响应分别对应的四种传输状态为正向非互易传输、反向非互易传输、双向互易传输和双向传输截止。

具体地讲，4种基本单元的工作状态中，“00”对应表层调控晶体管2/底层调控晶体管6的工作状态为导通/导通，“01”对应表层调控晶体管2/底层调控晶体管6的工作状态为导通/截止，“10”对应表层调控晶体管2/底层调控晶体管6的工作状态截止/导通，“11”对应表层调控晶体管2/底层调控晶体管6的工作状态为截止/截止。

在本发明中，以导通方向不同的不同晶体管的四种电磁超材料单元作为两种数字编码态“00”、“01”、“10”和“11”单元，通过设计不同的编码矩阵，以实现对于正入射的电磁波进行特定功能的调控。

如图4所示，由单个基本单元的仿真性能可知，单个基本单元在晶体管工作时具有明显的非互易传输，因此可进一步提升可编程调控能力，可对双向的传输状态进行编辑。

如图5所示，“00”、“01”、“10”和“11”四种不同工作状态下的单元传输特性图，图5(a)中，当晶体管全部关闭时，超材料等同于一个极低透射的材料；图5(c)和5(e)中，当其中一个单元的晶体管工作时，超材料能形成单向单通的非互易传输材料，子单元中的两个单元分别工作时能分别形成两个对称方向的非互易传输；图5(g)中，当所有单元都工作时，超材料产生互易的传输。

如图6所示，当超材料所有单元同时工作时，产生明显的互易传输，此时s21和s12几乎完全相同，而当所有单元同时不工作时，产生几乎为0的传输。而当其中一个单元工作时，产生了明显的非互易传输。

如图7所示，超材料的远场实验测试中，对超材料的三种工作状态进行远场方向图测试，分别是零传输、非互易单向传输、互易双向传输。由图7可知，零传输和互易双向传输具有明显的对称性，而非互易单向传输的开关状态前后非互易性很明显。

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。