CN104752840A - 一种太赫兹宽带随机表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹宽带随机表面，包括金属贴片层、介质层和金属地板层；所述介质层位于金属贴片层和金属地板层之间，介质层是聚酰亚胺或者其他有机高分子聚合物介质材料，厚度为微米量级；所述金属地板层膜层厚度为200纳米及以上，使入射波不能透射；所述金属贴片层在介质层的上表面，其基本单元有井字形结构和回字形结构两种。在较宽频带内归一化反射相位可以覆盖0～360°角度。整个阵列将不同反射相位的单元随机排列或经过算法优化而成。本发明具有易于设计、易于加工、宽频带等优点，可在较宽频带内有效缩减二维金属目标体在后向散射主要方向上的散射强度。本发明是单层结构，可通过标准光刻技术进行加工制作，在太赫兹应用中有重要的应用前景。

Description

一种太赫兹宽带随机表面

技术领域

本发明涉及新型人工材料领域，具体涉及一种太赫兹宽带随机表面。

背景技术

新型人工电磁材料是一种人工复合结构，由若干亚波长单元按照周期或准周期排列组成，具有自然界媒质所不具备的电磁性质。通过改变单元结构及其空间排列来改变电磁波传播路径上空间的电磁特性，从而控制电磁波的传播。

新型人工电磁材料超表面属于新型人工电磁材料领域，特点是仅需很薄的厚度就能完成对电磁波传播的控制。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种结构简单，易于制作，能有效的实现宽带，大角度范围入射的低散射随机表面。通过对基本单元结构尺寸参数的调整，实现对单元谐振频率的微调，入射波的反射相位也相应改变。通过在阵列表面的不同位置，选取不同反射相位的单元，可以让整个阵列表面对入射波形成一种类似漫反射的效果，让能量向不同的方向反射，从而减少主散射方向上的散射能量。

技术方案：为解决上述问题，本文发明了一种太赫兹宽带随机表面，包括若干个具有不同贴片尺寸的单元阵，每个单元阵由若干个相同的谐振单元组成；所述谐振单元包括金属贴片层、介质层和金属地板层，所述介质层位于金属贴片层和金属地板层之间；所述谐振单元有两种结构：第一种井字形单元结构，是井字形的金属环带包围一个正方形的金属片；第二种回字形单元结构，是口字形的金属环带包围一个正方形的金属片。

进一步的，第一种井字形单元结构：单元周期为a₁＝100μm，介质层厚度为t＝30μm，井字形金属环带的线宽为d₁＝5μm，井字的枝节长度为b₁，井字形金属环带与中心金属方块的间隔为g₁＝5μm；第二种回字形单元结构：单元周期为a₂＝100μm，介质层厚度为t＝30μm，回字形金属环带的线宽为d₂＝5μm，中心金属方块的边长为b₂，回字形金属环带与中心方块金属的间隔为g₂＝5μm；所述b₁取值从5μm到20μm，b₂取值从12μm到21μm,通过b₁和b₂在规定范围内的变化取值形成若干个尺寸不等的单元阵，若干个尺寸不等的单元阵的反射相位的变化范围在归一化之后能够覆盖0～360°的范围。

进一步的，b₁和b₂值的确定方法：首先通过软件生成一个二维随机矩阵，二维随机矩阵单元的取值范围为0到360内的整数值，该二维随机矩阵单元代表了随机表面每个单元阵的相位值；然后，利用相位和尺寸b₁、b₂之间的数值关系，通过单元阵相位的二维随机矩阵得到随机表面单元阵的尺寸矩阵，即b₁、b₂的取值矩阵。

进一步的，调整谐振单元参数，可控制随机表面工作在除太赫兹波段以外的其他频段。

进一步的，若干个具有不同贴片尺寸的单元阵组成阵列，且若干个单元阵的排列方式为随机排列，或者是通过粒子群算法进行优化。使反射波的能量最均匀地向各个方向反射。

进一步的，所述介质层的材料为有机高分子聚合物介质材料，厚度为微米量级。

进一步的，所述介质层的材料为聚酰亚胺。

进一步的，所述金属地板层的膜层厚度为200-250纳米。使电磁波无法透射。

本发明单元结构有井字形和回字形两种。这两种单元进行结构尺寸微调时的反射相位归一化到0～360度后，能够完全覆盖0～360度的变化范围，从而可以完美地模拟自然界中漫反射的情况，将入射波反射到任意的方向。为了使反射波的能量最均匀地向各个方向反射，阵列中不同反射相位单元阵的排列方式可以使用遗传算法进行优化。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优势：

1、本发明制作简单，加工方便，考虑到加工精度问题，采用了两种单元结构，使反射相位完全覆盖0～360度变化范围。仅用一层结构，可以进一步实现共形等特殊目标，同时避免了多层结构的加工误差。

2、本发明利用多谐振结构拓宽了工作频带，单元的随机排布制造出类似漫反射的效果，散射波干涉相消，可以在较宽的带宽的情况下显著降低后向散射主要散射方向上的强度，工作的环境要求较低，适应能力强。

3、本发明不仅能降低正入射电磁波的后向散射强度，在电磁波以较大角度斜入射时，仍具有显著的抑制作用。这一特点使得本发明具有更好的隐身作用，能更好地适应实际应用。

附图说明

图1a随机表面的示意图。图1b是井字形单元结构的示意图。图1c是回字形单元结构的示意图。

图2a井字形单元结构在中心频率的反射相位随井字的枝节长度b₁变化的曲线。图2b回字形单元结构在中心频率的反射相位随中心金属方块的边长b₂变化的曲线。图2a阴影部分是受目前工艺限制，无法加工的尺寸，用图2b的阴影部分代替。

图3a在a₁＝100μm，b₁＝8μm，g₁＝5μm，d₁＝5μm时井字形结构的反射幅度和相位随频率的变化曲线。图3b在a₂＝100μm，b₂＝20μm，g₂＝5μm，d₂＝5μm时回字形结构的反射幅度和相位随频率的变化曲线。图3c是井字形结构和回字形结构谐振时的电流示意图。

图4a井字形结构在不同入射角度时反射相位随频率变化的曲线。图4b回字形结构在不同入射角度时反射相位随频率变化的曲线。

图5a入射波垂直入射时，反射系数的仿真结果。纵坐标为1的曲线是与随机表面等尺寸的金属平板的反射系数，纵坐标接近0的曲线是随机表面的反射系数。图5b入射波垂直入射时，反射系数的实验结果。纵坐标为1的曲线是与随机表面等尺寸的金属平板的反射系数，纵坐标接近0的曲线是金属结构的反射系数。

图6(a-c)入射波垂直入射到随机表面上时，随机表面分别在1，1.4和1.7THz时的三维散射方向图。图6(d-f)入射波垂直入射到随机表面上时，随机表面分别在1，1.4和1.7THz时在xoy平面的散射方向图。图6(g-i)入射波垂直入射到与随机表面等大小的金属平板上时，随机表面分别在1，1.4和,1.7THz时的散射方向图。图6(j-l)入射波垂直入射到与随机表面等大小的金属平板上时，随机表面分别在1，1.4和1.7THz时在xoy平面的散射方向图。

图7随机表面样品实物图和加工流程示意图。

图8对比金属板和随机表面分别在20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°的散射幅度随频率变化的曲线。图8a入射波角度为20°,图8b入射波角度为30°,图8c入射波角度为40°。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1a所示，一种太赫兹宽带随机表面，包括若干个具有不同贴片尺寸的单元阵，每个单元阵由若干个形状相同的谐振单元组成；所述谐振单元包括金属贴片层、介质层和金属地板层，所述介质层位于金属贴片层和金属地板层之间；所述谐振单元有两种结构：第一种井字形单元结构，是井字形的金属环带包围一个正方形的金属片；第二种回字形单元结构，是口字形的金属环带包围一个正方形的金属片。

图1b是第一种井字形单元结构：单元周期为a₁＝100μm，介质层厚度为t＝30μm，井字形金属环带的线宽为d₁＝5μm，井字的枝节长度为b₁，井字形金属环带与中心金属方块的间隔为g₁＝5μm；图1c第二种回字形单元结构：单元周期为a₂＝100μm，介质层厚度为t＝30μm，回字形金属环带的线宽为d₂＝5μm，中心金属方块的边长为b₂，回字形金属环带与中心方块金属的间隔为g₂＝5μm；所述b₁取值从5μm到20μm，b₂取值从12μm到21μm。通过b₁和b₂在规定范围内的变化取值形成若干个尺寸不等的单元阵，若干个尺寸不等的单元阵的反射相位的变化范围在归一化之后能够覆盖0～360°的范围。从而可以完美的模拟自然界中漫反射的情况，将入射波反射到任意的方向。为了使反射波的能量最均匀地向各个方向反射，阵列中不同反射相位单元阵的排列方式可以使用遗传算法进行优化。

图2a井字形单元结构在中心频率的反射相位随井字的枝节长度b₁变化的曲线。图2b回字形单元结构在中心频率的反射相位随中心金属方块的边长b₂变化的曲线。图2a阴影部分是受目前工艺限制，无法加工的尺寸，用图2b的阴影部分代替。仅用一层结构，可以进一步实现共形等特殊目标，同时避免了多层结构的加工误差。b₁和b₂值的确定方法：首先通过软件生成一个二维随机矩阵，矩阵单元的取值范围为0到360内的整数值，该二维随机矩阵单元代表了随机表面每个单元阵的相位值；然后，如图2所示，利用相位和尺寸b₁、b₂之间的数值关系，通过单元阵相位的二维随机矩阵得到随机表面单元阵的尺寸矩阵。

图3a在a₁＝100μm，b₁＝8μm，g₁＝5μm，d₁＝5μm时井字形结构的反射幅度和相位随频率的变化曲线。图3b在a₂＝100μm，b₂＝20μm，g₂＝5μm，d₂＝5μm时回字形结构的反射幅度和相位随频率的变化曲线。图3c是井字形结构和回字形结构谐振时的电流示意图。从图中可以看出利用单元谐振时产生的相位变化，调节单元尺寸，可以实现反射相位的360度变化。

图4a井字形结构在不同入射角度时反射相位随频率变化的曲线。图4b回字形结构在不同入射角度时反射相位随频率变化的曲线。单元A和单元B的反射相位响应几乎不受入射角度影响，说明设计的新型人工电磁材料随机表面对入射角度不敏感。

图5a入射波垂直入射时，反射系数的仿真结果。纵坐标为1的曲线是与随机表面等尺寸的金属平板的反射系数，纵坐标接近0的曲线是随机表面的反射系数。图5b入射波垂直入射时，反射系数的实验结果。纵坐标为1的曲线是与随机表面等尺寸的金属平板的反射系数，纵坐标接近0的曲线是金属结构的反射系数。对比显示随机表面能大大降低正入射电磁波的后向散射强度。

图6(a-c)入射波垂直入射到随机表面上时，随机表面分别在1，1.4和1.7THz时的三维散射方向图。图6(d-f)入射波垂直入射到随机表面上时，随机表面分别在1，1.4和1.7THz时在xoy平面的散射方向图。图6(g-i)入射波垂直入射到与随机表面等大小的金属平板上时，随机表面分别在1，1.4和,1.7THz时的散射方向图。图6(j-l)入射波垂直入射到与随机表面等大小的金属平板上时，随机表面分别在1，1.4和1.7THz时在xoy平面的散射方向图。对比显示，本发明利用多谐振结构拓宽了工作频带，单元的随机排布制造出类似漫反射的效果，散射波干涉相消，可以在较宽的带宽的情况下显著降低后向散射主要散射方向上的强度，工作的环境要求较低，适应能力强。

图7随机表面样品实物图和加工流程示意图。该随机表面包括金属贴片层，介质层和金属地板层三层结构；介质层位于金属贴片层和金属地板层之间，介质层是聚酰亚胺或者其他有机高分子聚合物介质材料，厚度为微米量级；金属地板层位于介质层下表面，膜层厚度为200纳米及以上，使电磁波无法透射。

图8对比金属板和随机表面分别在20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°的散射幅度随频率变化的曲线。图8a入射波角度为20°,图8b入射波角度为30°,图8c入射波角度为40°。对比显示，本发明在电磁波以较大角度斜入射时，仍具有显著的抑制作用。这一特点使得本发明具有更好的隐身作用，能更好地适应实际应用。

本发明已经结合着仅限定数量的实施例被详细地描述出，可以容易理解的是，本发明并不限制于所公开的实施例中。更加地，本发明可以修改合并任何数量的前述未提及到的变形、改变、替换或等同组件，但这些与本发明的精神和范围是相称的。另外，本发明的各种实施例已经被描述出，可以理解的是，本发明的各个方面可仅包括所描述实施例的一部分。由此，本发明并不由前述描述所限制，但仅由所附加的权利要求的范围限制。

Claims (8)

1.一种太赫兹宽带随机表面，其特征在于：包括若干个具有不同贴片尺寸的单元阵，每个单元阵由若干个相同的谐振单元组成；所述谐振单元包括金属贴片层、介质层和金属地板层，所述介质层位于金属贴片层和金属地板层之间；所述谐振单元有两种结构：第一种井字形单元结构，是井字形的金属环带包围一个正方形的金属片；第二种回字形单元结构，是口字形的金属环带包围一个正方形的金属片。

2.根据权利要求1所述的太赫兹宽带随机表面，其特征在于：第一种井字形单元结构：单元周期为a₁＝100μm，介质层厚度为t＝30μm，井字形金属环带的线宽为d₁＝5μm，井字的枝节长度为b₁，井字形金属环带与中心金属方块的间隔为g₁＝5μm；第二种回字形单元结构：单元周期为a₂＝100μm，介质层厚度为t＝30μm，回字形金属环带的线宽为d₂＝5μm，中心金属方块的边长为b₂，回字形金属环带与中心方块金属的间隔为g₂＝5μm；所述b₁取值从5μm到20μm，b₂取值从12μm到21μm,通过b₁和b₂在规定范围内的变化取值形成若干个尺寸不等的单元阵，若干个尺寸不等的单元阵的反射相位的变化范围在归一化之后能够覆盖0～360°的范围。

3.根据权利要求2所述的太赫兹宽带随机表面，其特征在于：b₁和b₂值的确定方法：首先通过软件生成一个二维随机矩阵，二维随机矩阵单元的取值范围为0到360内的整数值，该二维随机矩阵单元代表了随机表面每个单元阵的相位值；然后，利用相位和尺寸b₁、b₂之间的数值关系，通过单元阵相位的二维随机矩阵得到随机表面单元阵的尺寸矩阵。

4.根据权利要求2所述的太赫兹宽带随机表面，其特征在于：调整谐振单元参数，可控制随机表面工作在除太赫兹波段以外的其他频段。

5.根据权利要求1所述的太赫兹宽带随机表面，其特征在于：若干个具有不同贴片尺寸的单元阵组成阵列，且若干个单元阵的排列方式为随机排列，或者是通过粒子群算法进行优化。

6.根据权利要求1所述的太赫兹宽带随机表面，其特征在于：所述介质层的材料为有机高分子聚合物介质材料，厚度为微米量级。

7.根据权利要求7所述的太赫兹宽带随机表面，其特征在于：所述介质层的材料为聚酰亚胺。

8.根据权利要求1所述的太赫兹宽带随机表面，其特征在于：所述金属地板层的膜层厚度为200-250纳米。