[发明专利]空频域梯度超材料及其设计方法

说明书

本发明提供了一种空频域梯度超材料及其设计方法，首先按具体功能要求，计算空频域梯度超材料在工作频段内的空间梯度与频率梯度；其次确定一个参考单元并仿真得到其相位响应曲线；将一维空间梯度与频率梯度依次叠加至参考单元相位曲线得到一组满足要求的相位曲线族；如需要再对每一条相位曲线依次叠加正交方向的空间梯度与频率梯度，最终仿真得到一维或二维超材料单元组。本发明通过空间梯度和频率梯度的结合得到相位梯度随频率变化的空频域梯度超材料，可以实现对电磁波的连续自由调控，可在工作频段内实现多种不同功能，例如无源情况下电磁波在一维、二维空间的灵活扫描，以及涡旋波模式的连续变换等。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料技术领域，具体涉及一种相位梯度随频率变化的超材料及其设计方法。

背景技术

新型人工电磁材料，也被称作电磁超材料(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的基本单元周期/非周期性地排列而构成的一种新型人工材料。在过去的20年里，电磁超材料发展迅速，产生了很多有趣的物理现象如负反射、负折射和光学隐身等，也被用于设计新型电磁器件，如数字编码超材料，超材料透镜、全息超材料等。通过调制亚波长单元结构和其分布的，超材料在控制电磁波传播方面具有极大的灵活性。超材料的表面相位分布在实现一些有趣功能中起着关键作用，而现有的理论通常关注于超材料相位在空间的分布特点，而较少研究其频域特性，因此目前超材料设计自由度不高，无法对电磁波进行连续自由调控。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出空频域梯度超材料的概念，在空间梯度相位超材料的基础上将频率梯度引入超材料以增加新的自由度。其中，空间梯度是超材料在指初始频率处的相位梯度，而频率梯度是指超材料相位梯度随频率的导数，两者的结合可以实现对电磁波更灵活的调控。在本发明中我们建立了空频域梯度超材料的设计流程，并分析了空频域梯度超材料的两种典型应用：电磁波束二维空间连续扫描和涡旋模式的连续变换。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种空频域梯度超材料的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，按具体功能要求，计算空频域梯度超材料在工作频段内的表面相位梯度，并分别计算出其空间梯度与频率梯度；

步骤2，确定一个参考单元并仿真得到其相位响应曲线；

步骤3，将一维空间梯度与频率梯度依次叠加至参考单元相位曲线得到一组满足一维空频域梯度要求的相位曲线族；

步骤4，根据所计算的相位梯度分布，仿真确定满足其相位与幅度响应的电磁单元，确定其具体结构后按所需实现功能进行排布，构成空频域梯度超材料。

进一步的，在步骤3和步骤4之间，还包括如下步骤：

在得到一维空频域梯度超材料单元相位曲线后，对每一条相位曲线依次叠加正交方向的空间梯度与频率梯度，得到满足二维空频域梯度要求的相位曲线族。

进一步的，在步骤3得到相位曲线组之后，还通过仿真得到与之对应的一维空频域超材料单元组。

进一步的，在方位角方向设计空间梯度与频率。

进一步的，空频域梯度超材料在工作频段的表面梯度相位表示为：

Ψ(f)＝γ₀+γ₁(f-f₀)+γ₂(f-f₀)²+...+γ_n(f-f₀)ⁿ+γ_n+1(f')ⁿ⁺¹ (1)

(f₀≤f'≤f)；