CN103904436A - 一种一比特电磁编码超材料 - Google Patents

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Abstract

一种一比特电磁编码超材料或超表面是由在较宽频带内相位差接近180度的两种基本单元（记为“0”和“1”单元），按照一定规律排列而成。采用一比特电磁编码超材料或超表面，无需从等效媒质参数的角度来设计，而只需设计相应的“0”和“1”单元编码次序，就可以调控电磁波，实现预期的各种功能，包括实现特定的散射波方向图、减小雷达散射截面（RCS）等。本发明具有易于设计、易于加工、宽频带等优点，在高性能天线、减小雷达散射截面等方面都有重要的应用前景。将来还可与FPGA等硬件结合，通过数字切换实现数字电磁超材料或超表面的多重功能。

Description

一种一比特电磁编码超材料
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种基于基本单元构成的电磁编码超材料。  
背景技术
新型人工电磁材料，又称电磁超材料，由于其控制电磁波传播的能力，在过去十几年中吸引了来自各界的广泛关注。现有的电磁超材料，通常是由特定几何形状的亚波长基本单元按周期或非周期结构排列组成，在分析与研究其对电磁波的调控时通常采用连续的、宏观均匀或非均匀等效媒质参数来描述。类比于模拟电路，可将其称为“模拟电磁超材料”。 
与之相对应，本发明中涉及的电磁超材料可称为“数字电磁超材料”，或电磁编码超材料。作为电磁编码超材料最简单的形式，一比特电磁编码超材料仅选用相位差接近180度的两种基本单元（记为“0”单元和“1”单元），按照一定规律排列“0”和“1”单元构成的电磁超材料（或超表面），以实现所需要的设计功能。相比于现有的电磁超材料，采用编码形式无需从等效媒质参数的角度来设计电磁超材料（或超表面），而只需设计相应的编码次序，就可以实现预期的各种功能，在高性能天线、减小雷达散射截面等方面具有重要应用前景。将来还可与FPGA等硬件相结合，通过数字切换实现真正的数字电磁超材料（或超表面），以数字形式调控其多重功能。  
发明内容
本发明的目的是提供一种一比特电磁编码超材料，所述超材料可具体为超表面。该一比特电磁编码超材料，选取在较宽频带内相位差接近180度的两种电磁超材料基本单元分别作为“0”编码单元与“1”编码单元，通过设计两种单元的排布规律，也既编码顺序，即可使所构成的电磁超材料（或超表面）实现所需要的功能。这种一比特电磁编码超材料的主要特点在于可应对不同的功能，设计过程简单，采用的电磁超材料易于加工。 
本发明的一比特电磁编码超材料（或超表面），选取在较宽频带内相差保持180度的两种电磁超材料单元，分别作为“0”编码单元与“1”编码单元，按照设计好的排布规律，构成具有特定功能的电磁超表面。 
与现有技术相比，本发明的优势在于： 
1.      本发明从编码设计的角度分析与研究电磁超材料及超表面对电磁波的调控作用，避开了等效媒质参数的考量，更加直观、简便，易于设计，更加实用。
2.      本发明可以通过不同的编码组合实现电磁超材料（或超表面）对电磁波的多种调控功能，包括实现特定的散射方向图、减小雷达散射截面（RCS），以实现隐身功能。 
3.      本发明具有宽带特性。在本发明中使用的电磁超材料单元保证构成的电磁超材料（或超表面）在宽频带内均能实现设计功能。 
4.      本发明加工方便，易于实现。在本发明中采用的电磁超材料单元有成熟的低成本加工技术。  
附图说明
图1是一比特电磁编码超材料（或超表面）的理论模型示意图。每一个栅格代表“0”或“1”电磁超材料单元。 
图2是一比特电磁编码超材料（或超表面）中实现“0”与“1”电磁超材料单元的结构示意图以及对应的相频曲线。其中电磁超材料单元由印制在介质基片上的方形金属片构成。 
图3是不同编码组合下，一比特电磁编码超材料（或超表面）对垂直入射电磁波散射波形调控结果的示意图，其中： 
(a) 是对应于编码组合000000…/000000…的电磁编码超表面结构和观测平面上近区场示意图；
(b) 是对应于编码组合010101…/010101…的电磁编码超表面结构和观测平面上近区场示意图；
(c) 是对应于编码组合010101…/101010…的电磁编码超表面结构和观测平面上近区场示意图；
(d) 是根据理论计算所得，对应于编码组合000000…/000000…的电磁编码超表面散射波形示意图；
(e) 是根据理论计算所得，对应于编码组合010101…/010101…的电磁编码超表面散射波形示意图；
(f) 是根据理论计算所得，对应于编码组合010101…/101010…的电磁编码超表面散射波形示意图；
(g) 是对应于编码组合000000…/000000…的电磁编码超表面散射波形全波仿真结果示意图；
(h) 是对应于编码组合010101…/010101…的电磁编码超表面散射波形全波仿真结果示意图；
(i) 是对应于编码组合010101…/101010…的电磁编码超表面散射波形全波仿真结果示意图。
图4是不同频率下，对应于编码组合010101…/010101…的电磁编码超表面对垂直入射电磁波的散射方向图的仿真结果，其中： 
(a)    为7.6GHz下的仿真结果；
(b)   为8.0GHz下的仿真结果；
(c)    为10.0GHz下的仿真结果；
(d)   为11.5GHz下的仿真结果。
图5是不同频率下，对应于编码组合010101…/101010…的电磁编码超表面对垂直入射电磁波的散射方向图的仿真结果，其中： 
(a)    为7.6GHz下的仿真结果；
(b)   为8.0GHz下的仿真结果；
(c)    为10.0GHz下的仿真结果；
(d)   为11.5GHz下的仿真结果。
图6是88个栅格，在优化编码组合下，一比特电磁编码超表面对垂直入射电磁波散射场主波束抑制效果示意图，其中： 
(a)    是该一比特电磁编码超表面结构示意图；
(b)   是用F4B介质基片实现的该一比特电磁编码超表面实物样品图；
(c)    是7.5-13GHz下，单站RCS缩减仿真与实测数据曲线；
(d)   、(e)、(f)分别是8GHz，10GHz和11.5GHz下，双站RCS三维方向图仿真结果。
图7是RCS缩减随栅格数和单元电长度的变化关系曲线，其中： 
(a) 是“0”、“1”单元相差固定为180度情况下，对于不同栅格数，RCS缩减随栅格电长度变化的曲线；
(b) 是栅格电长度固定为波长情况下，对于不同栅格数，RCS缩减随“0”、“1”单元相差变化的曲线。
图8是一比特电磁编码超表面中用于实现“0”与“1”电磁超材料单元在不同极化波斜入射情况下的相频曲线，其中： 
(a)    对应于15度斜入射；
(b)   对应于30度斜入射；
(c)    对应于45度斜入射；
红线与蓝线分别对应TE波与TM波。
图9是不同频率下，仿真所得电磁波15度斜入射到一比特电磁编码超表面的双站RCS三维散射方向图，其中： 
(a)    左右两栏分别对应8.5GHz下TE波斜入射情况与TM波斜入射情况；
(b)   左右两栏分别对应10GHz下TE波斜入射情况与TM波斜入射情况；
(c)    左右两栏分别对应11.5GHz下TE波斜入射情况与TM波斜入射情况。
图10是不同频率下，仿真所得电磁波30度斜入射到一比特电磁编码超表面的双站RCS三维散射方向图，其中： 
(a)    左右两栏分别对应8.5GHz下TE波斜入射情况与TM波斜入射情况；
(b)   左右两栏分别对应10GHz下TE波斜入射情况与TM波斜入射情况；
(c)    左右两栏分别对应11.5GHz下TE波斜入射情况与TM波斜入射情况。
图11是不同频率下，仿真所得电磁波45度斜入射到一比特电磁编码超表面的双站RCS三维散射方向图，其中： 
(a)    左右两栏分别对应8.5GHz下TE波斜入射情况与TM波斜入射情况；
(b)   左右两栏分别对应10GHz下TE波斜入射情况与TM波斜入射情况；
(c)    左右两栏分别对应11.5GHz下TE波斜入射情况与TM波斜入射情况。
图12是电磁波在不同角度斜入射到一比特电磁编码超表面时，效果最差方向下的RCS缩减仿真曲线，其中： 
(a)    对应于TE波斜入射的情况；
(b)   对应于TM波斜入射的情况。
图13是电磁波在不同角度斜入射到一比特电磁编码超表面时，效果最差方向下的RCS缩减实测曲线，其中： 
(a)    对应于TE波斜入射的情况；
(b)   对应于TM波斜入射的情况。 
具体实施方式：
本发明中，以在较宽频带内相差保持180度的两种的电磁超材料单元作为基本的编码单元“0”与“1”，通过设计不同的编码组合，构成能实现特定功能的电磁超材料或超表面。下面结合附图对本发明作更进一步说明。
图1是一比特电磁编码超材料（或超表面）的理论模型示意图，电磁超表面由边长为D的NN个栅格组成，每个栅格由代表同一编码的电磁超材料单元阵列构成。本发明的一个实例中，我们选取88个边长的栅格构成电磁超表面，每个栅格由77个电磁超材料单元组成。整个超表面尺寸为280mm280mm。 
一比特电磁编码超材料单元的结构及其对应的相频曲线如图2所示。“0”与“1”单元均由印制在介质基片上的方形金属片构成。整个单元为边长的正方形结构。介质基片厚度，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，金属片厚度。对于“0”单元，方形金属片边长，对于“1”单元，方形金属片边长。如图2所示，在8.1GHz到12.7GHz频段内，两种电磁超材料单元的相差在135度到200度之间，可以认为在较宽频带内两种电磁超材料单元的相差接近180度。 
图3展示了不同编码组合下，一比特电磁编码超表面对垂直入射电磁波散射波形的调控结果。可以看出，全波仿真与理论计算结果非常吻合。 
图4与图5提供了更多频点上，两种不同编码组合的1比特电磁编码超表面对垂直入射电磁波散射波形的调控结果。 
图6展示了按优化编码组合下，一比特电磁编码超表面对垂直入射电磁波散射场主波束的抑制效果。实物模型中所用的是具有与之前仿真所用相同电参数的介质基片F4B。88个栅格的电磁超表面其优化编码组合为00110101，采用纵横方向相对称的设计。实验结果显示单站RCS缩减的10dB带宽从7.8GHz到12GHz。在8GHz、10GHz与11.5GHz三个频点处，各个方向RCS缩减均低于-10dB。 
图7展示了随着单元数的增加，在单元相差接近180度的频带内，一比特电磁编码超表面对垂直入射电磁波散射场主波束的抑制效果将得到显著提升。 
本发明对于斜入射电磁波RCS的缩减效果在图8到图13中进行了详细的展示。实验结果显示本发明应用于RCS缩减时具有宽频带与宽角度的良好特性。 
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种一比特电磁编码超材料，其特征在于所述这电磁编码超材料（2）由在宽频带内相位差接近180度的两种电磁超材料单元（1）按一定规律排列构成。
2.根据权利要求1所述的一比特电磁编码超材料，其特征在于所述电磁超材料单元（1）可用数字“0”和“1”来表征。
3.根据权利要求1或2所述的一比特电磁编码超材料，其特征在于在宽频带内可根据所述电磁超材料单元（1）的排列规律来设计和控制电磁编码超材料所要实现的功能。
4.根据权利要求1或2所述的一比特电磁编码超材料，其特征在于所述超材料为超表面。
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