一种1-比特微波各向异性电磁编码超材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种具有极化受控功能的各向异性 电磁编码超材料。
【背景技术】
[0002] 对电磁波的任意操控一直以来是电磁学界的研宄热点，传统方案通常是利用整块 介质材料（传统透镜）或者依靠金属表面的形状（传统天线）来调控电磁场分布，但是此 类方案都是依靠特定的几何形状或者透镜的等效折射率的所带来的空间相位累积实现的， 因此具有较厚的厚度，不便于其他设备集成。
[0003] 2011年Capasso等人提出了广义斯涅尔定律，通过在二维表面上引入不连续相 位，将原本需要空间累积的相位变成平面上的相位突变补偿，使得利用二维超表面操控电 磁波的幅度和相位成为可能，利用此技术来制作各种透镜及天线，将极大地缩减其物理尺 寸和减轻重量。由于每个结构单元可以实现对电磁波幅度和相位的任意控制，因此通过设 计更加复杂的相位分布，可以实现诸如涡旋波束和贝塞尔波束等；如果设计随机的相位分 布，则可实现对入射波漫反射的效果，能够有效地降低目标的雷达散射截面，实现隐身。
[0004] 以上提到的超材料的单元设计都是对各向同性的，即设计好的超材料的功能就是 唯一的，不会随极化改变而改变。本发明设计的1-比特各向异性电磁编码超材料则可通过 改变入射电磁波的极化方向而改变其功能。本发明所设计的1-比特电磁编码超材料包含 了反射波幅度相同而相位依次相差90度的四个数字态"0"、"1"、"2"和"3"，由于单元结构 能够在x极化和y极化垂直入射波的照射下呈现出独立的数字态响应，因此当垂直入射的 电磁波的极化方向沿x轴和y轴时，这种各向异性编码超材料会呈现出两种不同的功能，其 中包括异常波束分离和随机表面散射等。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种具有极化受控功能的1-比特各向异性电磁编码超材料，通过 设计特定的数字编码序列并将其赋予材料中的每个基本单元，便可在X极化和y极化的垂 直入射电磁波的照射下独立地实现不同的功能，如异常波束分离和随机表面散射等。
[0006] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
[0007] 本发明是由四种基本单元结构组成，其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照 射下独立地呈现0度和180度反射相位，分别对应于数字态"0"和" 1"。为了方便标记，我 们将每一个单元结构命名为"s/s"的形式，其中斜杠前面和后面的字母分别代表为x极化 和y极化时的反射相位数字态，因此这四个结构可以记为"〇/〇"、" 1/1"、"〇/1"和"1/0"。其 中"0/0"、" 1/1"为各项同性结构；"0/1"和" 1/0"为各向异性结构。
[0008] 将这些基本单元结构按照相应的编码矩阵排列在二维平面上，当垂直入射的电磁 波沿X方向或y方向极化时，所设计的超材料能够呈现出不同的响应。
[0009] 与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0010] 1.本发明以X极化和y极化时数字态共同来表征每个基本单元，通过设计编码矩 阵进行有效地分析和设计电磁超材料。
[0011] 2.本发明的基本单元结构能够在两个互相垂直的极化方向上呈现出独立的数字 态响应，因此具有更大的设计灵活度，具体表现在本发明能够在入射波更改极化方向时呈 现出不同的功能，如异常反射和随机表面散射等，所实现的器件具有定向率高，转换效率高 的特点。
[0012] 3.本发明所设计的金属图案结构简单，且为单层金属结构，在微波段可采用常规 印制电路板工艺，在太赫兹、红外以及光波段可以采用常规光刻工艺，易于量产。所制成的 样品具有超薄超轻的特点，易于与现有系统集成；同时也可覆盖在任何具有曲面的物体上， 用于缩减其雷达散射截面积。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的基本单元结构，其中图（a)为各向同性单元结构，图（b)为各向异 性单元结构。
[0014] 图2为本发明的"0/0"和"1/1"各向同性单元结构在x极化和y极化时的反射相 位"和相位差；
[0015] 图3为本发明的"1/0"各向异性单元结构在x极化和y极化时的反射相位和相位 差；图4为本发明的"0/1"各向异性单元结构在x极化和y极化时的反射相位和相位差；
[0016] 图5为当编码矩阵为时的电磁编码图案，总共有16*16个超级子单元，每个超级子 单元的尺寸为4*4 ;
[0017] 图6为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向 图，频率为ITHz ;
[0018] 图7为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向 图，频率为ITHz ;
[0019] 图8为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向与x轴夹角45度时的三维远场 散射方向图，频率为ITHz ;
[0020] 图9为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时在Y-Z截面上的电场 Ex分量分布图，频率为ITHz ;
[0021] 图10为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时在X-Z截面上的电场 Ey分量分布图，频率为ITHz ;
[0022] 图11为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向与x轴夹角45度时在X-Z截 面和Y-Z截面上的电场Ey分量和Ex分量分布图，频率为ITHz ;
[0023] 图12为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时在Y-Z平面内的二维 远场散射方向图，频率为ITHz ;
[0024] 图13为当编码矩阵为时的电磁编码图案，总共有16*16个超级子单元，每个超级 子单元的尺寸为4*4 ;
[0025] 图14为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向 图，频率为ITHz ;
[0026] 图15为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向 图，频率为ITHz ;
[0027] 图16为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时在Y-Z平面内的二维 远场散射方向图，频率为ITHz ;
[0028] 图17为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的背向散射增益，频 率为ITHz ;
【具体实施方式】：
[0029] 为了验证本发明的功能及性能，将在太赫兹频段实例化本发明所提到的1-比特 电磁编码超材料的四种基本单元结构。其可分为各向同性和各向异性两类，图1(a)给出了 各向同性单元结构的立体结构图，其中从下往上分别是厚度为t的金属基底、厚度为d的 F4B介质层和厚度为t的正方形金属方片，其中正方形金属片长为a，正方形介质层长为p。 图1(b)给出了各向异性单元结构的立体结构图，其中从下往上分别是厚度为t的金属基 底、厚度为d的聚酰亚胺介质层和厚度为t的正方形金属方片，正方形介质层长为p，哑铃状 金属片的四个参数hl、h2、wl和w2的长度如图标注所示。表1给出了这四个结构的具体参 数，其中由于两个各向异性结构（哑铃状结构）可以通过90度旋转获得，因此只给出了数 字态为"1/0"结构的参数。
[0030] 表1. 1-比特各向异性电磁编码超材料的4种基本单元结构的几何参数，下划线之 前的字母代表几何参数名，下划线之后的字母代表数字态。
[0031]
【主权项】
1. 一种1-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于：该材料由四种基本单元结构按 照预先设计的数字编码序列在二维平面内排列而构成。
2. 根据权利要求1所述的1-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，所述的四个 基本单元结构在X极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下，其反射相位能够独立地实现 2个的离散相位O度和180度，分别对应于数字态"0"和" 1"。
3. 根据权利要求1所述的1-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，所述的四个 基本单元可分为两类：一类为各向同性结构，由正方形金属片构成，包含〇/〇"和"1/1"各向 同性单元结构；另一类为各向异性结构，由哑铃型金属片构成，包含1/0"和"0/1"各向同性 单元结构；两类结构的金属图案均印制在介质基板的一面上，另一面覆盖完整的金属背板。
4. 根据权利要求1所述的1-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，其可在X极 化和y极化的垂直入射电磁波的照射下独立的实现各种功能，包括异常波束分离和随机表 面散射等。
【专利摘要】本发明提供了一种1-比特各向异性电磁编码超材料。其单元结构由各向同性和各向异性两种结构组成，通过设计优化单元结构的几何参数，可使得每个单元在x极化和y极化垂直入射的电磁波照射时呈现出独立的反射相位0度和180度，分别对应数字态“0”和“1”。按预先设计的数字编码在二维平面上排列这些数字单元，就形成了各向异性电磁编码超材料。由于每个单元在x和y极化时的响应是独立的，因此经过编码后的超材料可以在x极化和y极化垂直入射波照射时表现出独立的响应，包括异常波束分离和随机表面散射等。本发明具有结构简单、易于加工、宽频带等优点，可用于设计波束分离，产生多波束；或可用于设计隐身表面，有效缩减目标的雷达散射截面积。
【IPC分类】H01Q15-00
【公开号】CN104868252
【申请号】CN201510300964
【发明人】崔铁军, 刘硕
【申请人】东南大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月5日