[发明专利]具有非对称传输特性的手性超材料结构及设计方法

说明书

本发明涉及一种具有非对称传输特性的手性超材料结构及设计方法，该结构在21.65GHz处对线性极化波的非对称传输系数最大达到0.8562，结构的极化转换率在21‑29GHz频段内保持在80％以上，最高可达到99.75％，说明该结构具有良好的非对称传输特性及极化转换特性。通过改变表层金属与底层金属的旋转角度，实现对线性极化波以及圆极化波的非对称传输现象的动态调控。随着旋转角度的改变，该结构对线性极化波以及圆极化波的非对称传输现象从微弱到强烈动态变化。当表层金属逆时针旋转15°，底层金属逆时针旋转45°时，该结构在21GHz对线性极化波的非对称传输系数最高达到0.5，同时在24.5GHz对圆极化波的非对称传输系数最高达到0.66，此时该结构对线性极化波及圆极化波同时产生了非对称传输现象。

技术领域

本发明属于电磁波传输控制领域，具体涉及一种具有良好非对称传输特性且同时具有可调性及多功能性的手性超材料及设计方法。

背景技术

基于超材料电磁耦合特性的手性电磁超材料结构具有良好的非对称传输特性。对于不同的设计目标，通过设计不同的手性超材料构型或调节关键参数来改变整体结构的非对称传输特性，从而使手性超材料能够应用与各个频段，使其在极化转换器，光电二极管等领域具有重要的应用价值。

中国专利CN104600434A《具有非对称传输特性的双L型手征超材料的微单元结构》通过在介质基板上表面及下表面分别刻蚀尺寸大小的L型金属片得到一种手征超材料结构，用于实现对线性极化波的非对称传输现象。但是该专利提出的超材料结构在设计上具有盲目性，并且该结构没有对圆极化波产生非对称传输现象，功能较为单一。

文献“Ji W,Cai T,Wang B,Wang G.G,et al.High-efficiency and ultra-broadband asymmetric transmission metasurface based on topologically codingoptimization method[J].Optics Express,2019,27(3):2844-2854”公开了一种具有宽频带非对称传输现象的超表面。该文献利用拓扑编码优化的方法，对超表面结构进行拓扑优化设计，优化后的超材料非对称传输系数高于0.6的频段相对带宽提高到了60％，但是该文献是在原有结构的基础上只对中间层金属结构进行拓扑优化设计，该设计方法没有完全克服设计的盲目性，并且经过优化并没有显著提升超表面结构的非对称传输系数。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为克服现有手性超材料结构的设计盲目性,避免现有技术的不足之处，本发明提供了一种手性超材料结构及设计方法，结合数值仿真手段和拓扑优化设计技术,设计出具有良好非对称传输特性、极化转换特性以及可调谐、多功能的手性超材料结构。

本发明的技术方案是：具有非对称传输特性的手性超材料结构，包括若干相同的单胞结构；所述单胞结构包括介质基板、表层人工金属结构和底层人工金属结构；表层人工金属结构位于介质基板上表面，底层人工金属结构位于介质基板下表面；表层人工金属结构和底层人工金属结构均包括两个L形变体金属片，且初始状态时两个L形变体金属片“1”字型和“一”首尾相对不接触；表层人工金属结构的其中一个L形变体金属片沿中心旋转180°后与另一个L形变体金属片重合；底层人工金属结构由表层人工金属结构经过与中心轴相互垂直的方向旋转90°得到。

本发明进一步的技术方案是：所述介质基板采用Rogers RO4350材料。

本发明进一步的技术方案是：所述介质基板厚度d的取值范围为0.8mm≤d≤1.2mm。

本发明进一步的技术方案是：所述表层人工金属结构厚度t₁取值范围为0.024mm≤t₁,t₂≤0.048mm。