CN106410418A - 一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料及基本单元结构和设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料及基本单元结构和设计方法，包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上；所述基本单元结构包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。本发明具有单层结构、易于加工等优点，可用于制作波束偏折、极化转换器等器件，也可用于缩减目标的雷达散射截面等应用。

Description

一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料及基本 单元结构和设计方法
技术领域
本发明涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种在微波段的极化可控的各向异性电磁编码超材料。
背景技术
新型人工电磁材料，亦称电磁超材料(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是它们对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振系统与外加电磁场的相互作用来体现的。电磁超材料从媒质的角度定义了电磁波的行为，为微波器件的设计提供了新的思路和方法。
Capasso等人在2011年提出了广义斯涅尔定律，该定理是描述超材料表面电磁特性的基本定律，考虑了电磁波在超材料表面反射或者透射时产生的相位不连续性以及随之产生的异常反射和折射行为。人们可以设计人工表面结构来人为控制这种相位不连续性，进而可以利用二维超表面调控空间传播波。达到任意控制反射波和折射波的目的。实现如涡旋波束和贝塞尔波束等，甚至可以设计随机的相位分布，使得入射波束被随机散射到各个方向，形成漫反射，从而有效降低目标的雷达散射截面积，实现隐身。
以上提到的超材料的单元都是各向同性的结构，即设计好的超材料的功能就是固定并且唯一的，不能随入射电磁波的极化改变而发生变化。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料及基本单元结构，通过设计特定的数字编码矩阵并将其对应地赋予材料中的每个基本单元，其便可在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下独立地实现不同的功能，如反常反射、反常折射、涡旋波束和贝塞尔波束等功能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的基本单元结构，包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。
一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上；所述基本单元结构包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。
优选的：所述基本单元结构共有16种基本单元结构，16种基本单元结构对应16个不同相位数字态编码；基本单元结构包括有四种反射相位，四种反射相位对应四种数字态响应。
优选的：四种数字态响应分别为“00”、“01”、“10”和“11”，这四种数字态响应分别对应的四种反射相位为0度、90度、180度和270度；16个相位数字态编码为“00/00”、“01/01”、“10/10”、“11/11”、“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”，其中，/为斜线，用于表示各向异性编码状态分开标志，斜线前的数字表示x极化下的反射相位数字态，斜线后的数字表示y极化下的反射相位数字态。
优选的：所述介质板层的厚度d为1.5-2.5mm，介电常数为4.2-4.4，损耗角正切为0.02-0.04；
优选的：基本单元结构的单元周期长度L为5-7mm。
优选的：16种基本单元结构的几何参数如下：
优选的：所述全反射零透射层通过在介质板层的背面覆盖一层铜形成。
一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的设计方法，通过调节椭圆形金属层的长轴半径和比例因子，得到每一个基本单元结构可以在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下独立地产生四种数字态响应，这四种数字态响应对应四种反射相位，根据四种数字态响应进而得到16个不同相位数字态编码，这16个不同相位数字态编码对应16种基本单元结构，将得到的基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上。
有益效果：本发明提供的一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料及基本单元结构，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明摒弃了传统采用等效媒质参数对超材料进行分析与设计的方案，采用离散的数字编码形式来更加简洁和有效地分析和设计超材料。
2.本发明巧妙的利用一种椭圆形的基本单元结构。结构简单，但是相比于只采用各向同性单元作为基本单元结构的编码超材料，能够具有更大的设计灵活度，具体表现在本发明能够在更改入射波极化方向时对微波段的电磁波具有不同的调控功能。
3.本发明可通过赋予超材料不同的编码矩阵，使其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下独立地呈现出不同的功能，如反常反射、反常折射、涡旋波束和贝塞尔波束等。所实现的器件具有定向率高，转换效率高的特点。
4.本发明结构线条设计简单，仅具有单层金属图案，在微波频段采用常规的印制电路板工艺即可制作。
附图说明
图1为1-比特的8x8各向异性编码超表面在编码矩阵[1/1，1/0；0/1/0/0]下的原理图。
图2为本发明的基本单元结构的模型图。
图3为16个编码单元在x极化和y极化入射电磁波下所对应的反射相位。
图4是当编码矩阵为M1，频率为10GHz时这种超表面的数值仿真的远场散射方向图；图4(a)垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向图；(b)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图；图4(c)垂直入射波电场极化方向沿x轴时的y-z平面二维远场散射方向图；图4(d)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的x-z平面二维远场散射方向图。
图5是当编码矩阵为M1，频率为10GHz时这种超表面的数值仿真电场分布；图5(a)垂直入射波电场极化方向沿x轴时在y-z截面上的电场Ex分量分布图；图5(b)垂直入射波电场极化方向沿y轴时在x-z截面上的电场Ey分量分布图。
图6是当编码矩阵为M2时这种超表面的数值仿真的远场散射方向图；图6(a)垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向图；图6(b)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图；图6(c)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图；图6(d)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图；图6(e)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的x-z二维远场散射方向图；图6(f)为在随机序列情况下背向散射方向和30°镜像反射方向的雷达散射截面的缩减。
图7是编码矩阵为M1时的图案。
图8是编码矩阵为M2时的图案。
图9为基本单元结构的结构示意图，其中图9(a)为基本单元结构的正视图，图9(b)为图9(a)的A-A向剖视图。
其中，1为介质板层，2为椭圆形金属层，3为全反射零透射层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的基本单元结构，如图2、9所示，包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。
一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，如图2、9所示，包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上；所述基本单元结构包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。
所述基本单元结构共有16种基本单元结构；通过调节椭圆形金属层的长轴半径和比例因子，得到每一个基本单元结构可以在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下独立地产生四种数字态响应，这四种数字态响应对应四种反射相位，根据四种数字态响应进而得到16个不同相位数字态编码，这16个不同相位数字态编码对应16种基本单元结构。也就是说，所述基本单元结构共有16种基本单元结构，16种基本单元结构对应16个不同相位数字态编码；基本单元结构存在/包括有四种反射相位，四种反射相位对应四种数字态响应。
产生的四种数字态响应分别为“00”、“01”、“10”和“11”，这四种数字态响应分别对应的四种反射相位为0度、90度、180度和270度；16个相位数字态编码为“00/00”、“01/01”、“10/10”、“11/11”、“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”，其中，/为斜线，用于表示各向异性编码状态分开标志，斜线前的数字表示x极化下的反射相位数字态，斜线后的数字表示y极化下的反射相位数字态。
所述介质板层的厚度d为1.5-2.5mm，介电常数为4.2-4.4，损耗角正切为0.02-0.04；
基本单元结构的单元周期长度L为5-7mm。椭圆形金属层的厚度t为0.018-0.035mm。
所述全反射零透射层通过在介质板层的背面覆盖一层铜形成。
一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的设计方法，通过调节椭圆形金属层的长轴半径和比例因子，得到每一个基本单元结构可以在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下独立地产生四种数字态响应，这四种数字态响应对应四种反射相位，根据四种数字态响应进而得到16个不同相位数字态编码，这16个不同相位数字态编码对应16种基本单元结构，将得到的基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上。
这里将在微波X波段具体实例化本发明所提到的2-比特各向异性电磁编码超材料的基本单元结构。
本发明涉及的一种双功能的各向异性电磁编码超材料则通过设计人工电磁材料的有限个码元和其编码顺序实现预期的特殊功能。主要涉及了一种微波段的2-比特的各向异性编码超材料，包含了反射波的幅度相同而相位依次相差90度的四个编码“00”、“01”、“10”和“11”。由于所设计的基本单元结构需要在x极化和y极化垂直入射波的照射下呈现出独立的数字态响应，因此总共有16种基本单元结构，这16种基本单元结构分为4个各向同性结构和12个各向异性结构，4个各向同性结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波照射时的数字态为“00/00”、“01/01”、“10/10”和“11/11”；12个各向异性结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波照射时的数字态为“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”。通过设计相应的二维编码矩阵，将这些基本单元结构按照预先设计的数字编码矩阵在二维平面内进行排列，当垂直入射的电磁波的极化方向分别沿x轴和y轴时，这种各向异性编码超材料会表现出两种不同的功能，其中包括反常波束反射、反常波束分离、涡旋波束、贝塞尔波束和随机表面散射等，可用于全向波束扫描、波束聚焦以及缩减物体的雷达散射截面积等应用。也就是说，通过改变每个结构单元的几何参数，其对于垂直入射电磁波的反射相位能够实现4个独立的离散相位值0度、90度、180度和270度，分别对应于数字态“00”、“01”、“10”和“11”。
图1是1-比特的8×8各向异性编码超表面在编码矩阵[1/1，1/0；0/1/0/0]下的原理图，每个各向异性编码状态可以由斜线“/”分开，其中斜线前的数字表示x极化下的反射相位数字态，斜线后的数字表示y极化下的反射相位数字态。当这种1-比特的各向异性超表面在水平极化波照射下，变成在垂直方向呈现[1 0 1 0]编码序列的编码超表面，如图1左图所示；而当在垂直极化波的照射下，变成在水平方向呈现相同[1 0 1 0]编码序列的编码超表面。这种各向异性超表面在不同极化波的照射下呈现独立的编码序列，从而能够实现不同的功能。
图2给出了椭圆形各向异性单元结构的立体结构图，基本单元是由椭圆形的金属蚀刻在厚d＝2mm的F4B介质板上，单元的周期L＝6mm，介质板的背面覆盖一层铜来保证全反射和零透射。椭圆形的金属结构尺寸由长轴半径r和比例因子k来确定。
通过优化上述椭圆形结构的两组几何参数(长轴半径r和比例因子k)，每一个基本单元结构可以在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下独立地产生数字态响应“00”、“01”、“10”和“11”，对应反射相位为0度、90度、180度和270度，因此排列组合后便有16种不同的组合“00/00”、“01/01”、“10/10”、“11/11”、“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”，其中前者为x极化时的反射相位数字态，后者为y极化时的反射相位数字态。这16个不同相位数字态编码所对应的几何参数见表1。
表1微波段2-比特各向异性电磁编码超材料的16种基本单元结构的几何参数
为了展示本发明应用在X波段的2-bit各向异性电磁编码超材料的功能，下面采用两个具体的实例来说明。
第一个实例，我们采用在x极化下编码序列为[00 00 10 10 00 00 10 10…]，y极化下编码序列为[00 01 10 11 00 01 10 11…]，对应一个二维矩阵M1。
编码矩阵M1所对应的超表面图案如图7所示，在这里我们引入超级子单元的概念，其由N×N个相同的基本单元结构组成。由于相邻不同结构单元之间电磁耦合未在设计单元结构时考虑，因此会在实际编码后的超材料中带来不可预期的相位响应，造成性能的恶化，而引入超级子单元可以有效地降低这一影响。整个超材料由64×64个超级子单元构成，每个超级子单元由2×2个相同基本单元构成。
图4展示了编码为M1的超材料在x极化和y极化垂直电磁波照射下的远场方向图。当电磁波为x极化入射时，沿y方向的编码序列为[00 00 10 10 00 00 10 10…]，垂直波束会被分离到y-z平面内的两个波束，两波束与z轴夹角为37度(φ＝90°，θ＝37°)的方向上，此结果与广义斯涅耳定律公式λ＝arcsin(λ/Γ)计算的结果38.6度非常接近，其中λ代表自由空间波长(30mm在10GHz时)，Γ代表一个梯度周期的长度(48mm)；当电磁波为y极化入射时，沿x方向的编码序列为[00 01 10 11 00 01 10 11…]，垂直波束会被反常偏折到x-z平面内，与z轴夹角为39度(φ＝180°，θ＝39°)的方向上。图5展示了相应的x极化和y极化垂直入射电磁波照射时的y-z平面和x-z平面的电场分布图。可以清晰地看到，当x极化入射波照射时，电磁场向着两个方向传播；当y极化入射波照射时，电磁场向着一个方向传播，其中的电场的微小的扰动是由于之前提到的不同结构单元之间的耦合造成的。
第二个示例所采用的数字编码M2如下，当垂直入射电磁波极化方向沿x轴时，相应的编码序列为[00 01 10 11 00 01 10 11…]；当垂直入射电磁波极化方向沿y轴时，为随机编码，仅用“00”和“10”两个数字态来构造这个随机编码序列。编码矩阵M2所对应的超表面图案如图8所示，整个超材料由64×64个超级子单元组成，在y方向每个超级子单元的尺寸为4×4，在x方向每个超级子单元的尺寸为2×2。当入射场为x极化波时，其反常波束偏折角在y-z平面内，并与z轴夹角为30度，如图6所示；为当编码矩阵为M2时这种超表面的数值仿真的远场散射方向图；图6(a)所示为垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向图，频率为10GHz；其对应的编码序列沿y方向为[00 01 10 11 00 01 10 11…]，其对应的编码序列为随机序列；当入射场为y极化波时，入射波束会被随机地散射到整个上半空间(z＞0)。图6(b)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图，频率为10GHz，其对应的编码序列为随机序列；图6(c)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图，频率为9GHz，其对应的编码序列为随机序列；图6(d)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图，频率为11GHz，其对应的编码序列为随机序列；图6(e)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的x-z二维远场散射方向图，频率为10GHz；图6(f)为在随机序列情况下背向散射方向和30°镜像反射方向的雷达散射截面的缩减，频率范围为7-13GHz。如图6(b)、(c)和(d)所示，分别在10GHz，9GHz和11GHz频点上有效地降低了金属板的背向散射，可用于缩减物体的雷达散射截面。图6(e)为y极化波照射时，x-z平面内的二维散射方向图，可以看出在背向方向散射缩减达到了近20dB。图6(f)给出了在7-13GHz频段内的散射缩减值，可以看出这种随机编码序列能够在一个相对较宽的8.6-12.3GHz频段内实现雷达散射截面的有效缩减，其性能非常出色，可以用来有效地降低物体的雷达散射截面。
下面，对本发明所提出的微波段各向异性电磁编码超材料的转换效率进行评估。在这里，我们首先定义转换效率如下：将波束以相应的倾斜角(与金属板法线的角度)入射到金属板上时的镜像反射角方向的反射强度记为P1，将波束垂直入射到编码后的超材料上时的偏折角方向上的反射强度记为P2，其比值定义为转换效率E＝P2/P1。由于图4(c)和(d)中的散射方向图已经对纯金属板反射时的强度P1做过归一化，因此从这两个图中便可读出编码为M1的超材料的转换效率在x极化入射波和y极化入射波照射分别为56％和79％，这样的高效率是无法利用传统单层透射式的梯度折射率超材料获得的。
本发明由一种椭圆形的基本单元结构组成。结构简单，设计非常方便。当椭圆形长轴和短轴之比k等于1时，为圆形，呈现各向同性的特性，对x极化和y极化呈现相同的反射相位。当长轴和短轴之比不等于1时，为椭圆形，呈现各向异性的特性，对x极化和y 极化呈现不同的独立的反射相位。所设计的单元结构在垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位0度、90度、180度和270度，分别对应于数字态“00”、“01”、“10”和“11”。为了方便标记，我们将每一个单元结构命名为“s/s”的形式，其中前者为x极化时的反射相位数字态，后者为y极化时的反射相位数字态。总共有“00/00”、“01/01”、“10/10”、“11/11”、“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”十六种。
将这个椭圆形的基本单元结构按照相应的编码矩阵排列在二维平面上，当垂直入射的电磁波的极化沿x轴或者y轴或者45度夹角方向时，所设计的超材料能够呈现出不同的响应和功能。
本发明基本单元结构是椭圆形的各向异性编码结构，通过设计优化其单元结构的几何参数，可使得每个单元在x极化和y极化垂直入射的电磁波呈现出独立的反射相位0度、90度、180度和270度，分别对应数字态“00”、“01”、“10”和“11”。按预先设计的数字编码在二维平面上排列这些数字单元，就形成了极化可控的各向异性电磁编码超材料。由于每个单元在x极化和y极化时的响应是独立的，可使整个各向异性编码超材料在两个极化互相垂直的入射波照射下呈现两种独立的功能。其中包括反常波束反射、随机表面散射、高效率高定向性的反射式圆极化转换器和反射式线极化转换器等。在微波段采用常规的印制电路板工艺制作，加工简单。可用于制作波束偏折，极化转换器等器件，也可用于缩减目标的雷达散射截面等应用。未来通过设计电可调的各向异性电磁编码超表面单元结构，与FPGA等控制电路相结合，就可以实现现场可编程的各向异性电磁编码超材料，从而实时调控其对入射电磁波的响应。
需要说明，以上所述仅是本发明在微波X波段的优选实施方式，由于本发明具有单元结构设计简单并且单层金属图案便于制作的有点，同样的结构可以通过尺寸缩放应用到太赫兹，红外以及可见光波段。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 (9)

1.一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的基本单元结构，其特征在于：包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。
2.一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上；所述基本单元结构包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。
3.根据权利要求1或2所述的应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：所述基本单元结构共有16种基本单元结构，16种基本单元结构对应16个不同相位数字态编码；基本单元结构包括有四种反射相位，四种反射相位对应四种数字态响应。
4.根据权利要求3所述的应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：四种数字态响应分别为“00”、“01”、“10”和“11”，这四种数字态响应分别对应的四种反射相位为0度、90度、180度和270度；16个相位数字态编码为“00/00”、“01/01”、“10/10”、“11/11”、“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”，其中，/为斜线，用于表示各向异性编码状态分开标志，斜线前的数字表示x极化下的反射相位数字态，斜线后的数字表示y极化下的反射相位数字态。
5.根据权利要求3所述的应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：所述介质板层的厚度d为1.5-2.5mm，介电常数为4.2-4.4，损耗角正切为0.02-0.04。
6.根据权利要求3所述的应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：基本单元结构的单元周期长度L为5-7mm。
7.根据权利要求3所述的应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：16种基本单元结构的几何参数如下：
8.根据权利要求3所述的应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：所述全反射零透射层通过在介质板层的背面覆盖一层铜形成。
9.一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的设计方法，其特征在于：通过调节椭圆形金属层的长轴半径和比例因子，得到每一个基本单元结构可以在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下独立地产生四种数字态响应，这四种数字态响应对应四种反射相位，根据四种数字态响应进而得到16个不同相位数字态编码，这16个不同相位数字态编码对应16种基本单元结构，将得到的基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上。
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