[发明专利]一种1-比特微波各向异性电磁编码超材料

说明书

技术领域

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

对电磁波的任意操控一直以来是电磁学界的研究热点，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。

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。

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

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。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

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“0/0”、“1/1”、“0/1”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。

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。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

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。

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。

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

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。

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；

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；

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；

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1THz；

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1THz；

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1THz；