CN103928764B - 一种多比特电磁编码超材料 - Google Patents

Abstract

一种多比特电磁编码超材料或超表面是由在较宽频带内相位差保持基本稳定的有限种的电磁超材料单元按照一定规律排列而成。可由相位响应由低到高依次相差接近90度的四种电磁超材料单元（分别记为“00”，“01”，“10”和“11”单元），按一定编码规律排布可构成二比特电磁编码超材料或超表面；或由相位响应由低到高依次相差接近45度的八种电磁超材料单元（分别记为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”和“111”单元），按一定编码规律排布可构成三比特电磁编码超材料或超表面；以此类推。采用多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，而只需设计相应的编码次序，就可以调控电磁波，实现预期的各种功能，具有易于设计、易于加工、工作频带宽等优点。

Description

一种多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，具体涉及一种多比特电磁编码超材料。

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”单元构成电磁超材料（或超表面），以实现所需要的设计功能。多比特电磁编码超材料则选用相位差基本保持稳定的有限种电磁超材料单元，按一定编码规律排列构成电磁超材料或超表面，以实现所需要的设计功能。例如，由相位响应由低到高依次相差接近90度的四种电磁超材料单元（分别记为“00”，“01”，“10”和“11”单元），按一定编码规律可构成二比特电磁编码超材料或超表面；由相位响应由低到高依次相差接近45度的八种电磁超材料单元（分别记为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”和“111”单元），按一定编码规律可构成三比特电磁编码超材料或超表面；以此类推。多比特电磁编码超材料具有一比特电磁编码超材料同样的优点：即无需从等效媒质参数的角度来分析与设计，而只需设计相应的编码次序；同时，由于多比特电磁编码超材料可以提供更多的编码组合，由其所构成的电磁超材料对电磁波的调控更加自由，能实现的功能更加丰富，调控效果也优于一比特电磁编码超材料，在高性能天线、减小雷达散射截面（RCS）等方面都具有更广阔的应用前景。未来还可与FPGA等硬件结合，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多比特电磁编码超材料，所述超材料可具体为超表面。这种电磁编码超材料按编码位数可分为二比特电磁编码超材料、三比特电磁编码超材料等。以二比特电磁编码超材料为例，选取在较宽频带内相位响应由低到高依次相差90度的四种电磁超材料基本单元分别作为“00”、“01”、“10”与“11”编码单元，通过设计这四种单元的编码顺序来调控电磁波，可使所构成的电磁超材料或超表面实现所需的功能。类似地，由相位响应由低到高依次相差接近45度的八种电磁超材料单元（分别记为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”和“111”单元），按一定编码规律可构成三比特电磁编码超材料或超表面；以此类推。这种多比特电磁编码超材料的主要特点在于方便应对不同的功能，设计过程简单，采用的电磁超材料易于加工。

本发明的多比特电磁编码超材料或超表面由在较宽频带内相互之间相位差保持基本稳定的有限种类的电磁超材料单元按照设计好的排布规律构成。

对于二比特电磁编码超材料或超表面, 选取在较宽频带内相位响应由低到高依次相差90度的四种电磁超材料基本单元分别作为“00”、“01”、“10”与“11”编码单元按照设计好的编码规律构成。

对于三比特电磁编码超材料或超表面, 选取在较宽频带内相位响应由低到高依次相差45度的八种电磁超材料基本单元分别作为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”和“111” 编码单元按照设计好的编码规律构成。

更多比特电磁编码超材料或超表面的构成依此类推。

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由电磁超材料或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，并易于设计。

2.本发明可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RCS，且与一比特电磁编码超材料相比其调控效果更优。

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编码超材料及超表面在宽频带内均能实现所设计的功能。

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是多比特电磁编码超材料或超表面的理论模型示意图。对于二比特电磁编码超材料或超表面，每一个栅格中的”XX”代表“00”，“01”，“10”和“11”的四种电磁超材料单元中的一种。

图2是二比特电磁编码超材料或超表面中实现“00”、“01”、“10”与“11”的电磁超材料单元的结构示意图。

图3二比特电磁编码超材料或超表面中实现“00”、“01”、“10”与“11”的电磁超材料单元的相频曲线。

图4是二比特电磁编码超表面在0001101100011011编码组合下，对垂直入射电磁波散射波形的调控结果图，其中：

(a)是二比特电磁编码超表面结构和观测平面上近场示意图；

(b)是三维远场散射方向图。

图5是88个栅格，在优化编码组合下，二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图，其中：

(a)是该二比特电磁编码超表面结构示意图。

(b)是7-16GHz频带内单站RCS缩减的仿真曲线。

(c)、(d)、(e)、(f)分别是8GHz、10GHz、13GHz和15GHz下，双站RCS三维散射方向图。

(g)是相同规格一比特电磁编码超表面在7.5-13GHz频带下，单站RCS缩减的仿真与实测数据曲线。

具体实施方式：

本发明中，以在较宽频带内相差保持基本稳定的有限种类的电磁超材料单元作为基本编码单元，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。下面以二比特电磁编码超表面为实例，结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1是多比特电磁编码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个边长为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。对于两比特电磁编码超材料，每一个栅格中的”XX”代表“00”，“01”，“10”和“11”的四种电磁超材料单元中的一种。

构成二比特电磁编码超表面的电磁超材料单元的结构以及对应的相频曲线如图2和图3所示。“00”、“01”、“10”与“11”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“00”单元，方形金属片边长，对于“01”单元，方形金属片边长，对于“10”单元，方形金属片边长，对于“11”单元，方形金属片边长。如图2所示，在较宽频段内，四种电磁超材料单元的相位响应由低到高相差基本保持在90度左右。

图4展示了二比特电磁编码超表面在0001101100011011编码组合下，对垂直入射电磁波散射波形的调控结果。其结果符合单元相位响应的梯度变化。

图5展示了按优化编码组合下，二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。88个栅格的电磁超表面按优化编码组合设计。实验显示二比特电磁编码超表面比一比特电磁编码超表面具有更好的缩减RCS效果，其单站RCS缩减10dB带宽从7.5GHz提高到15GHz，具有优异的宽带特性。

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)

1.一种多比特电磁编码超材料，其特征在于所述电磁编码超材料(2)由在宽频带内相互之间相位差基本保持稳定的有限种类的电磁超材料单元(1)按一定规律排列构成；在宽频带内根据有限种类的电磁超材料单元(1)的排列规律来设计和控制电磁超材料所要实现的功能。

2.根据权利要求1所述的多比特电磁编码超材料，其特征在于对于二比特电磁编码超材料，所选用的电磁超材料单元为4种，所述4种电磁超材料单元的相位响应由低到高依次相差接近90度，分别记为“00”，“01”，“10”和“11”单元；对于三比特电磁编码超材料，所选用的电磁超材料单元为8种，所述8种电磁超材料单元的相位响应由低到高依次相差接近45度，分别记为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”和“111”单元。

3.根据权利要求2所述的多比特电磁编码超材料，其特征在于对于多比特电磁编码超材料的构成依此类推。

4.根据权利要求1所述的多比特电磁编码超材料，其特征在于所述超材料为超表面。