y极化时的 反射相位数字态。图2给出了 "0/0"和"1/1"编码单元在0.TTHz到I. 3THz时的反射相 位，可以看出"〇/〇"和"1/1"编码单元在ITHz时的反射相位分别为-74°和106°，相差 180。。图3和图4分别给出了 "1/0"和"0/1"编码单元在0.TTHz到I. 3THz时在X极化 和y极化垂直入射波下的反射相位，同样，这两个单元在ITHz时相位相差180度。
[0034] 第一个示例，我们采用在X极化和y极化时相位分布都呈现数字态相位 " 010101…"梯度分布的情况，即对应一个二维矩阵
[0035] 由于相邻不同结构单元之间的电磁耦合会给超材料带来不可预期的相位响应，为 了避免因此效应带来性能上的恶化，在这里我们引入超级子单元的概念，其由N*N个相同 的基本单元结构组成。此示例中，整个材料由16*16个超级子单元构成，每个超级子单元的 尺寸为4*4,如图5所示。图6和图7分别展示了编码矩阵为的超材料在X极化和y极化 垂直电磁波时的三维远场方向图，可以清楚地看到X极化垂直入射的波束被分离并偏转到 Y-Z平面内与z轴夹角为48度角的方向上（9=90°, 9 =48°和(p=270°, 0 =48° )，如 图12中Y-Z平面内Y-Z平面内二维远场散射方向图所示；y极化垂直入射的波束被偏转到X-Z平面内与z轴夹角为48度角的方向上（9=〇°, 9 =48°和(p=18〇°, 0 =48° )。通 过广义斯涅耳定律公式9 =arcsin(A/T)可计算出此异常反射角度为48度，与仿真结 果吻合一致，其中A代表自由空间波长，r代表一个梯度周期的长度。图9图10分别展 示了相应的X极化和y极化垂直电磁波照射时的Y-Z平面和X-Z平面的电场图，可以清晰 地看到，电磁场向着一个方向传播，其中电场的微小的扰动是由于之前提到的不同结构单 元之间的耦合造成的。更有趣的是，当入射波的极化方向与X轴夹角45°时，垂直入射的 波束会被分离并偏转到Y-Z平面和X-Z平面内与z轴夹角为48度的4个方向上，即分别为 (cp=〇。，0 =48。；(p=9〇。，9 =48。；(p=180。，0 =48。和(p=270。，0 =48。），如图 8 所示。图11给出了相应的电场分布场图，其中X-Z平面对应于Ey分量，Y-Z平面对应于Ex分量。通过调整极化方向与X轴的夹角，便可以有效地调整四个波束的强度，可用于设计新 型极化受控型反射阵天线。
[0036] 第二个示例所采用的数字编码如下，当垂直入射电磁波极化方向沿X轴时，相应 的编码序列为"010101…";当垂直入射电磁波极化方向沿y轴时，为随机编码。整个材料由 16*16个超级子单元构成，超级子单元的大小为4*4,如图13所示。图14的三维远场散射方 向图显示，当入射场为X极化波时，虽然此时的编码与Ml完全不同，但垂直入射的波束依旧 被分离并偏转到Y-Z平面内与z轴夹角为48度角的方向上（9=90°, 0 = 48°和(p=270°, 9 = 48° )，如图16中的Y-Z平面内二维远场散射方向图所示；当入射场为y极化波时， 入射波束会被随机地散射到整个上半空间（z>0)，如图15所示。为了进一步定量评估此随 机电磁编码超材料对y极化入射波的漫反射作用，图17给出了编码为M2的超材料在y极 化入射波时的散射增益，即从编码超材料反射回来的背向散射值与从同样大小理想电导体 反射回来的背向散射值的比值，可以看出从〇. 9到I. 5THz之间，散射增益低于-10dB，说明 此电磁编码超材料能够在宽频带内有效地降低金属板的背向散射，可用于缩减物体的雷达 散射截面，达到隐身的目的。
[0037] 以上两个示例展示了所设计的各向异性电磁编码超材料的独特的极化受控的功 能，在实际应用中效率同样是很重要的参数。在这里，我们进一步评估其转换效率。首先定 义转换效率如下：波束以24度倾斜角入射到金属板上时的镜像反射角方向的反射强度Pl， 与垂直入射到编码后的超材料上时的偏折角方向上的反射强度P2的比值，即效率E=P2/ P1。由于图12中的二维散射方向图已经是对纯金属板反射时的强度Pl做过归一化后的结 果，因此从这两个图中便可读出编码为Ml的超材料的转换效率为0.456*2 = 91. 2%，这样 的高效率是无法通过传统单层透射式的梯度折射率超材料获得的。
[0038] 本设计采用标准光刻工艺和lift-off(剥离）工艺，具体的工艺步骤如下：首先 200nm的金通过电子束蒸发沉积到2寸硅片上；随后，液态聚酰亚胺哦旋转涂覆的方式均匀 地匀胶在金层之上，然后在热板上以80度、120度、180度和250度加热各加热5分钟、5分 钟、5分钟和20分钟，此时聚酰亚胺已固化在金层之上；由于单次匀胶只能生成大约10微 米厚的聚酰亚胺，次匀胶步骤需要重复3次以制作25微米厚聚酰亚胺层。接着利用光刻工 艺将具有所需编码图案的掩膜版的图案转移到光刻胶上，随后再用电子束蒸发沉积一层10 纳米的钛和200纳米的金，之后用Liff-off(剥离）工艺在丙酮中生成最终的金属图案。由 于金和硅片表面的二氧化硅层的粘附性较差，整个样品可以从硅片表面直接撕下来，形成 无基底的样品，具有超薄柔性的特点，可与任何曲面物体共形，扩展了本实用新型的应用范 围。
[0039] 需要说明，以上所述仅是本实用新型在太赫兹波段的优选实施方式，由于本设计 具有单元结构设计简单并且单层金属图案的优点，同样的结构可以通过尺寸缩放而直接扩 展到微波段、毫米波波段、红外以及可见光波段。应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰 也应视为本实用新型的保护范围。
【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】本实用新型提供了一种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。本实用新型具有结构简单、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】CN204696244
【申请号】CN201520385984
【发明人】崔铁军, 刘硕
【申请人】东南大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月5日