CN106571533A

CN106571533A - 一种散射可控型随机编码超表面及控制方法

Info

Publication number: CN106571533A
Application number: CN201610975977.4A
Authority: CN
Inventors: 崔铁军; 刘硕; 白国栋
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-11-07
Filing date: 2016-11-07
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2036-11-07
Also published as: CN106571533B

Abstract

本发明公开了一种散射可控型随机编码超表面，其由具有离散反射相位的编码单元按照预设规律排列而成，所述预设规律具体为由随机编码矩阵和周期编码矩阵叠加而成的混合编码矩阵。本发明还公开了一种随机编码超表面的散射控制方法，可以对散射方向进行控制和预测，本发明可以有效控制随机散射分布的区域大小，进而控制其所承载的信息量。本发明所产生的散射图像可以类比量子力学中的电子云的概念，蕴含特异的物理机制，且与信息编码存在独特关系；可以预见，本发明将有助于提高雷达压缩成像的范围和质量，并且会对基于微波、光频段甚至声波频段的常规反射材料和漫反射材料产生巨大影响。

Description

一种散射可控型随机编码超表面及控制方法

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料，尤其涉及一种散射可控型随机编码超表面及控制方法。

背景技术

新型人工电磁材料(Metamaterials)，亦称电磁超材料或异向介质，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期或非周期性地排列，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。新型人工电磁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思路和方法。

电磁超表面(Metasurface)是一种平面式的新型人工电磁材料，其是由亚波长结构单元按照特殊规律排列的周期或者准周期的二维平面结构。2011年，Capasso等人提出了广义斯涅尔定律，该定理描述了超表面电磁特性的基本定律，考虑了电磁波在超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的不连续性，进而可以利用二维超表面调控空间波，达到任意控制反射波和折射波的目的。2014年，东南大学的崔铁军教授提出编码超表面的概念。其由两个具有接180°反射相位差的‘0’编码单元和‘1’编码单元构成。通过设计相应的编码图案，这种编码超表面实现了微波以及THz频段下的多种功能，如涡旋波束和贝塞尔波束等；甚至可以设计出随机的相位分布，称为随机编码超表面，其可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。更重要的是，这种编码超材料可以很方便地利用现有的数字硬件来调控，形成可编程的超表面。由于随机编码超表面的数字属性，许多信息领域的理论，例如快速傅里叶变换与信息熵，均可以直接应用于随机编码超表面的分析。

在以往利用随机编码超表面的设计当中，虽然有效地减小了雷达散射截面，但是散射波的方向没有办法预测和控制，如图1所示。例如申请号为201410145132.3的专利公开了一种多比特电磁编码超表面，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”编码单元)，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”编码单元)，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。但是其仍然不能对散射波的方向进行预测和控制。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种散射可控型随机编码超表面及控制方法，可将随机散射置于预期的角度范围内。

技术方案：本发明所述的散射可控型随机编码超表面，其由具有离散反射相位的编码单元按照预设规律排列而成，所述预设规律具体为由随机编码矩阵和周期编码矩阵叠加而成的混合编码矩阵。其中，周期编码矩阵的周期大小，可以控制散射图样中心出现的角度范围；随机编码矩阵的超晶胞尺寸大小N可以控制散射分布区域的大小；二者的有机结合可对随机散射形成有效控制。

本发明所述的随机编码超表面的散射控制方法包括：将具有离散反射相位的编码单元按照预设规律排列，形成随机编码超表面，所述预设规律具体为由随机编码矩阵和周期编码矩阵叠加而成的混合编码矩阵。该方法可以通过设计周期编码矩阵的周期大小，控制散射图样中心出现的角度范围，且设定的周期越大，散射图样中心出现的角度越小；设定的周期越小，散射图样中心出现的角度越大；可以通过设计随机编码矩阵中超晶胞尺寸N的大小，控制散射分布区域的大小，且设定的N越小，散射分布的区域越大，设定的N越大，散射分布的区域越小。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明的可控型随机超表面能够将随机散射控制在一定角度范围内，如图2所示，与传统的随机超表面相比，本发明实现了随机散射的可控性，具有潜在的应用价值。

2、本发明可将散射区域的中心置于预期的角度，便于在实际中应用。

3、本发明能够有效地调控散射区域的大小，进而可以控制信息承载的能力，可以获得一系列具有相同信息熵的编码图案，这将在雷达压缩成像等装置中有潜在应用价值。

4、本发明所产生的散射图像可以类比量子力学中的电子云的概念，其物理内涵独特，将会对微波到光频段甚至声波频段的常规反射材料和漫反射材料产生巨大影响。

附图说明

图1是传统随机表面的散射示意图；

图2是本发明的可控型随机超表面的散射示意图；

图3是混合编码矩阵的合成示意图；

图4是编码单元的结构示意图；

图5是编码单元的宽带反射相位曲线；

图6是编码单元归一化后的宽带反射幅度曲线；

图7是几种可控型随机超表面的编码图案及远场散射方向图；(a-d)分别给出了四种编码图案M1-M4(每个编码图案中的周期编码矩阵的构成见表1)；(e-h)给出了M1-M4编码图案在极坐标下的三维远场散射方向图；

图8是通过改变随机编码矩阵中超晶胞大小而对散射区域范围进行控制三个例子；(a-c)权重分别设置为w-1＝[0 1 0 0 0 0],w-2＝[0 0 1 0 0 0]和w-3＝[0 0 0 1 00]时的编码图案；(d-f)相应的极坐标下的三维远场方向图；

图9是在CST软件中仿真得到的针对编码图案为M2-M4的远场散射方向图；(a-c)CST软件中编码图案为M2-M4的模型；(d-f)编码图案为M2-M4的极坐标下的三维远场方向图的数值仿真结果。

具体实施方式

对于传统的随机超表面(如图1所示)，垂直入射的平面波将被随机漫反射到各个方向上，散射波的方向既不能预测也不能控制；为扩展其应用性，本实施例提出了一种工作在THz波段可灵活控制散射波方向和散射区域大小的可控型随机超表面，垂直入射的平面波将被漫反射到指定的方向区域上，如图2所示。此可控型随机超表面是由离散的反射相位编码单元按照预设规律排列而成，该预设规律具体为由随机编码矩阵(图3左侧图案)和周期编码(图3中间图案)叠加而成的混合编码矩阵(图3右侧图案)。本实施例还对应的提出了一种随机超表面的散射控制方法，该方法与本实施例提出的可控型随机超表面一一对应，不再赘述。为实现上述功能，本实施例设计了如图4所示的编码单元，包括三层结构，从上至下依次为上层金属图案、中层介质和金属地。上层金属图案由一个方形金属环和一个位于方形金属环内的方形金属片构成，通过调整方形金属片的边长，编码调控编码单元的反射波相位。L为方形金属片的宽度，p为方形金属环的宽度，w为其线宽，d为介质板厚度。中层介质所用的材料为聚酰亚胺(ε_r＝3,δ＝0.03)，厚度为25μm；当L分别为100,71.9,64.7和55.2μm时，其对于1THz正入射电磁波的反射相位分别为-180°，-90°，0°和90°，如图5所示，所对应的数字编码分别为“0”,“1”,“2”与“3”。这里需要指出，方形金属环可降低不同单元结构之间的电场耦合，提高了数值仿真与理论计算的吻合度。图6给出了利用CST软件得到的上述四种不同编码单元在0.8-1.2THz频段内的归一化反射幅度图，可以看到，在工作频率下，所有的幅度都在0.75之上。

此处将以M₁-M₄这四种混合编码矩阵为例来展示本发明专利的功能特性。其中，M₁-M₄中周期编码矩阵的编码方式如表1所示，其中，H为周期编码时超晶胞的尺寸。M₁-M₄混合编码矩阵大小均为64×64。其中对于1-比特情况，0和1分别代表反射电磁波的反射相位为0°和180°；对于2-比特情况，0、1、2和3分别代表反射电磁波的反射相位为-180°、-90°、0°和90°。

表1M₁-M₄混合编码图案中的周期编码矩阵部分。

M₁-M₄中的随机编码矩阵采用以下公式生成：

其中，round()为取整函数，N表示随机编码矩阵的超晶胞的尺寸，一个超晶胞由N×N个相同的编码单元构成；ones(2^N-i)表示构建一个2^N-i×2^N-i的全1矩阵；rand(2ⁱ)表示由(0,1)之间均匀分布的随机数组成的2ⁱ×2ⁱ的矩阵；kron(rand(2ⁱ),ones(2^N-i))代表了一个2ⁱ×2ⁱ的分块矩阵，每一个分块矩阵由2^N-i×2^N-i个相同的(0,1)随机数组成；w_i是由N个元素构成的一维数组w中的第i个元素，表示权重；kron()表示将矩阵中每个元素进一步扩展为N×N矩阵，mod()为取模运算。因此，整个编码的形成过程可以简单描述如下：首先对从1到N不同的随机矩阵进行求和，然后求出这个累加矩阵关于1的模数；最后再将其取整(用round函数)为离散的0或者1。这样就形成了随机编码矩阵。

混合编码矩阵由随机编码矩阵和周期编码矩阵叠加而成，也就是将随机编码矩阵与周期编码矩阵进行相加然后取模2(如果是和2-比特的周期编码矩阵相加，首先要将随机编码矩阵乘以2，相加后再对4取模)，即可形成图7(a)-(d)中所示的M1-M4的混合编码矩阵图案。得到混合编码矩阵后，按照混合编码矩阵将相应的编码单元在二维平面上进行排列，其中混合编码矩阵中的数字0对应“0”编码单元，数字1对应“1”编码单元，数字2对应“2”编码单元，数字3对应“3”编码单元，排列完成后，即形成了可控型随机编码超表面。

为了验证本实施例的效果，下面进行仿真验证。

散射区域的中心角度所在位置受周期编码矩阵控制，可以利用广义斯涅尔定律计算得出；其中，λ和Γ分别为工作波长以及周期编码矩阵的周期大小。周期编码矩阵的周期其实就是表1所列的矩阵中编码周期的大小。例如对于M₁周期性编码序列为“000111000111”，由于编码单元的周期长度为100μm，因此M1的周期就为1200μm。随机编码超表面通过设计周期编码矩阵的周期大小，可控制散射图样中心出现的角度，例如，对于采用M₁的混合编码矩阵，其三维远场散射方向图如图7(e)所示，其随机散射主要分布于极坐标(径向方向为俯仰角，角向方向为方位角)中左右两个圆形区域内，圆形区域的中心为对于采用M₂混合编码矩阵，其三维远场散射方向图如图7(f)所示，可以看出随机散射被分成四个圆形区域，四个圆形区域的中心位于上述两种编码都是基于1-比特的模式。在大多数应用中，人们希望随机散射指向某一个特定方位，这可以通过将周期性编码部分采用2-比特模式来实现。图7(g)展示了采用M₃的混合编码矩阵的远场散射方向图，由于周期编码矩阵为一个梯度编码序列“01230123…”，其随机散射被散射到一个圆形区域内，圆心位于对于采用M₄的混合编码矩阵，由于M₄可以看作M₂与梯度编码“01230123…”的叠加，因此其远场散射方向图可以将M₂的散射图平移到原点右侧而得到，如图7(h)所示。可以看出，设定的周期越大，散射图样中心出现的角度越小，设定的周期越小，散射图样中心出现的角度越大。

现在来介绍如何通过随机编码矩阵的“超晶胞”大小来动态地调控散射区域分布范围的大小。为了展示对散射范围大小的调控，给出了三个不同的随机编码矩阵，三个编码图案的周期编码矩阵均采用M₃中的周期编码矩阵(表1中第三行)，而“超晶胞”的大小可以通过改变权重w来实现。三个编码图案中随机编码矩阵部分的权重分别设置为w-1＝[0 1 00 0 0],w-2＝[0 0 1 0 0 0]和w-3＝[0 0 0 1 0 0]，这也就等同于将“超晶胞”大小分别设置为16×16，8×8与4×4。图8(a)-(c)分别为权重为w-1～w-3时的混合编码矩阵图案。对比图8(d)-(f)，可以看出权重为w-1的编码图案所对应的随机散射分布在一个比较小的范围内；w-2的散射比w-1更具随机性，说明能量分布在一个更大的角度范围内；w-3的随机散射分布范围最大。因此可以得出结论：小的“超晶胞”能够使得随机散射出现在更大的角度范围内，反之亦然。一旦“超晶胞”的大小确定，不同编码图案的散射分布区域大小将是确定的；虽然这些具有相同“超晶胞”尺寸的散射图样看起来各不相同，但是其随机散射出现在某个方向的概率和强度则是确定的；这个奇特的物理现象可类比于量子力学中的“电子云”模型，即虽然无法预测电子出现的准确位置，但是却能够预测其出现在某个位置的概率，因此可将本发明中的随机散射称为“散射云”。综上可知，通过设计随机编码矩阵中超晶胞尺寸N的大小控制散射分布区域的大小，且设定的N越小，散射分布的区域越大；设定的N越大，散射分布的区域越小。

将以上两种控制方式有机地结合，可以十分有效地控制随机散射。利用这种可控的随机超表面，能够获得一系列具有相同信息熵的编码图案，这将有助于提高雷达压缩成像的范围和质量。

在CST软件中针对模式为M2-M4的编码图案进行建模仿真，模型图以及仿真结果见图9；其中，(a-c)是CST软件中M2-M4的编码图案建模；(d-f)为其对应的3维散射图像；从图9可以看出，采用真实结构的数值仿真结果与图7当中理论计算的结果高度吻合，证明了本发明的正确性和可实现性。鉴于单元结构的单层特性，在太赫兹波段可以方便地采用标准光刻流程加工。

需要说明的是，虽然本发明只给出了在太赫兹波段的实物仿真结果，但是本设计同样适用于微波段、毫米波波段、红外以及可见光波段甚至声波段。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

1.一种散射可控型随机编码超表面，其特征在于：其由具有离散反射相位的编码单元按照预设规律排列而成，所述预设规律具体为由随机编码矩阵和周期编码矩阵叠加而成的混合编码矩阵。

2.根据权利要求1所述的散射可控型随机编码超表面，其特征在于：通过设计周期编码矩阵的周期大小，可控制散射图样中心出现的角度范围，且设定的周期越大，散射图样中心出现的角度越小；设定的周期越小，散射图样中心出现的角度越大。

3.根据权利要求1所述的散射可控型随机编码超表面，其特征在于：通过设计随机编码矩阵中超晶胞尺寸N的大小，可控制散射分布区域的大小，且设定的N越小，散射分布的区域越大，设定的N越大，散射分布的区域越小。

4.根据权利要求1所述的散射可控型随机编码超表面，其特征在于：所选用的编码单元具体为4种，分别为“0”单元、“1”单元、“2”单元和“3”单元，反射波相位分别为接近-180°、接近-90°、接近0°和接近90°。

5.一种随机编码超表面的散射控制方法，其特征在于：将具有离散反射相位的编码单元按照预设规律排列，形成随机编码超表面，所述预设规律具体为由随机编码矩阵和周期编码矩阵叠加而成的混合编码矩阵。

6.根据权利要求5所述的随机编码超表面的散射控制方法，其特征在于：该方法通过设计周期编码矩阵的周期大小，可控制散射图样中心出现的角度范围，且设定的周期越大，散射图样中心出现的角度越小；设定的周期越小，散射图样中心出现的角度越大。

7.根据权利要求5所述的随机编码超表面的散射控制方法，其特征在于：该方法通过设计随机编码矩阵中超晶胞尺寸N的大小，可控制散射分布区域的大小，且设定的N越小，散射分布的区域越大，设定的N越大，散射分布的区域越小。

8.根据权利要求5所述的随机编码超表面的散射控制方法，其特征在于：所选用的编码单元具体为4种，分别为“0”单元、“1”单元、“2”单元和“3”单元，反射波相位分别为接近-180°、接近-90°、接近0°和接近90°。