CN108598715B - 一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料,由多层堆叠结构的超材料单元构成。超材料单元由五层金属和四层介质交替排布而成。特殊的结构设计使单元具有各向异性和非对称特性，在不同入射方向的x和y极化电磁波照射下呈现不同透射和反射相位，分别独立控制反射和透射波前，实现对电磁波的全空间调控。在沿±z方向的x极化入射波照射下，其工作于透射模式来调控透射波前；而在沿±z方向的y极化入射波照射下，其工作于反射模式，可以独立控制两侧的反射波前。通过改变入射波的极化和方向，一块编码超材料可以用于实现三个不同的功能，如波束偏折、漫散射、涡旋波生成。本发明结构简单、易于加工，可以用于设计各种高性能器件。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料。
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。在过去的20年里，电磁超材料发展迅速，产生了很多有趣的物理现象和新型器件。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)。近些年来，为了减少三维超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面(Metasurfaces)也广泛地用于调控电磁波。
崔铁军教授课题组在2014年提出了数字编码和可编程超材料的概念，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时调控，区别于基于等效媒质理论的传统超材料。例如，1比特编码超材料是两个数字单元“0”和“1”(分别对应0和π的相位响应)按照一定的编码序列构成；而2比特编码超材料是由四个数字单元“00”、“01”、“10”和“11”(分别对应0，π/2,π和3π/2的相位响应)。这种超材料可以通过设计编码序列来实现对电磁波的调控。此外，在单元上加载有源可调器件，结合FPGA等控制电路可以实现功能实时可切换的可编程超材料。(参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,"Coding metamaterials,digitalmetamaterials and programmable metamaterials,"Light-Science&Applications,vol.3,p.e218,Oct 2014.)
随着现代集成系统的快速发展，多功能器件和设备在很多应用场合都有需求。可重构或可编程设计的有源超表面可以动态地调控电磁波，在多种不同的功能之间切换。然而有源的设计通常需要复杂的控制电路，提高了系统成本和损耗。因此，一些通过改变入射波极化、旋性和频率的双功能设计可以在用单一的无源超表面实现两种不同的功能。此外，传统的编码超材料都是工作于反射模式或者透射模式，不能同时对反射和透射波前进行调控。
发明内容
发明目的：本发明目的在于解决现有无源超材料实现多功能的限制的问题，通过设计各向异性和非对称的超材料单元，可以同时调控反射和透射波前。改变入射波的极化和方向，一块编码超材料在相同的工作频点可以实现三种不同的功能，为设计高效率多功能器件提供了很好的方案。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料，由多层堆叠结构的超材料单元构成；所述的超材料单元由五层金属结构和四层微波介质板交替排布而成。
进一步地，超材料单元在不同入射方向的x极化和y极化电磁波照射下呈现不同透射和反射相位响应，分别独立控制反射和透射波前，实现对电磁波的全空间调控。
进一步地，在沿±z方向传播的x极化入射波照射下，超材料工作于透射模式来调控透射波前；而在沿±z方向传播的y极化入射波照射下，超材料工作于反射模式，可以独立控制两侧的反射波前。
进一步地，超材料单元包含五层金属结构，从上往下第三层金属结构为开槽金属地层，其余金属结构为十字形金属层，相邻的金属结构分别由介质板隔开。
进一步地，超材料单元从上往下依次堆叠第一十字形金属层、第一微波介质板、第二十字形金属层、第二微波介质板、开槽金属地层、第三微波介质板、第三十字形金属层、第四微波介质板和第四十字形金属层。
进一步地，相邻的微波介质板厚度相同。
进一步地，一块编码超材料在反射和透射相位同时编码，独立控制反射和透射波前。
进一步地，所述的超材料为超表面。
上述多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料在实际应用中非常广泛，反射透射联合编码，可以同时控制反射和透射波前，实现三种不同的功能，例如基于异常反射的波束偏折、漫散射效应缩减雷达散射截面(RCS)、携带轨道角动量的涡旋波束生成。也可以用于实现高效率透镜、波束分离器、雷达天线罩、基站天线、全息成像等应用。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.本发明中的反射透射一体化编码超材料，不仅可以控制透射波前，也可以独立的控制超材料两侧的反射波前。反射透射联合编码的设计实现了对全空间电磁波的调控。
2.本发明中的反射透射一体化编码超材料，一块相同的板子仅通过改变入射波的极化和方向就可以实现三种独立的功能，相比现有的双功能器件更便于系统集成和小型化。
3.本发明加工方便，易于实现。微波段的反射透射一体化电磁编码超材料的制作采用常规的印刷电路板工艺即可，多层介质板之间可以用胶水黏合或者用塑料螺丝固定。
附图说明
图1是多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料的功能示意图。
图2是编码超材料的基本构成单元的结构示意图；
图3是该编码超材料单元的分离式解析示意图；
图4是该编码超材料单元在不同极化入射波照射下电场和电流分布切面图；
图5是3比特编码单元的反射和透射系数的幅度和相位曲线；
图6是所设计的三种不同的功能对应的编码图案；
图7是编码超材料阵列的顶层和底层结构图案；
图8是编码超材料工作于反射模式实现功能F1的远场仿真和测试结果；
图9是编码超材料工作于反射模式实现功能F2的远场仿真结果；
图10是编码超材料工作于透射模式实现功能F3的远场和近场仿真结果；
图11是编码超材料工作于透射模式实现功能F3的测试近场幅度和相位分布。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行具体阐述。
一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料，由多层堆叠结构的超材料单元构成；所述的超材料单元由五层金属结构和四层微波介质板交替排布而成。
金属结构采用的金属为铜，微波介质板采用的为型号F4B的微波介质板。
超材料单元在不同入射方向的x极化和y极化电磁波照射下呈现不同透射和反射相位响应，分别独立控制反射和透射波前，实现对电磁波的全空间调控。
在沿±z方向传播的x极化入射波照射下，超材料工作于透射模式来调控透射波前；而在沿±z方向传播的y极化入射波照射下，超材料工作于反射模式，可以独立控制两侧的反射波前。
超材料单元包含五层金属结构，从上往下第三层金属结构为开槽金属地层，其余金属结构为十字形金属层，相邻的金属结构分别由介质板隔开。
超材料单元从上往下依次堆叠第一十字形金属层1、第一微波介质板6、第二十字形金属层2、第二微波介质板7、开槽金属地层3、第三微波介质板8、第三十字形金属层4、第四微波介质板9和第四十字形金属层5。
相邻的微波介质板厚度相同。
一块编码超材料在反射和透射相位同时编码，独立控制反射和透射波前。
进一步地，所述相位编码以3比特为例，反射模式用“R0”、“R1”、“R2”、“R3”、“R4”、“R5”、“R6”和“R7”来表示；透射模式用“T0”、“T1”、“T2”、“T3”、“T4”、“T5”、“T6”和“T7”来表示。
所述的超材料为超表面。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1是多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料的功能示意图。超材料在沿+z方向传播的y极化入射波照射下工作于反射模式，可以用于实现功能F1；在沿-z方向传播的y极化入射波照射下也工作于反射模式，用于实现功能F2；而在沿+z(或-z)方向传播的x极化入射波照射下工作于透射模式，可以用于实现功能F3。
图2和3展示了反射透射一体化编码超材料的基本构成单元，它是实现上述功能的关键。单元为多层堆叠结构，其包含五层金属结构(1、2、3、4、5)，中间层为开槽的地面，上下两侧分别有两层十字形金属结构，分别由四层相同厚度为1mm的介质板(F4B,介电常数2.65，损耗0.001)隔开。中间层开槽地面为上下层的十字形结构提供电磁耦合，可以实现对x极化入射波的高透过率。靠近开槽地面的两层十字形金属结构的y方向长度等于单元周期(P＝8mm)，等效于金属光栅，能全部反射y极化的入射波。图3中标注了单元的结构参数，其中固定参数为ls＝5mm、ws＝1.2mm、Ty＝3mm、Rx＝2mm。
图4给出了基本构成单元在不同极化入射波激励下的电场和电流分布图。从电场分布可以看出，在不同线极化入射波激励下，各向异性的单元结构具有很好的正交极化隔离度，确保了反射模式和透射模式可以独立控制。另外，单元的切面电流分布表明了x极化的入射波可以透过单元，但是y极化的入射波被完全反射。另外由于金属层2和4的存在，不同方向入射的y极化电磁波可以完全独立地被控制。单元的这种各向异性和非对称特性也确保了实现三种功能的出色性能。
图5给出了3比特编码下的反射和透射系数的幅度和相位。我们可以通过调整参数Tx获得x极化照射下不同的透射相位；通过调整参数Ry1和Ry2获得y极化照射下不同的反射相位。在CST电磁仿真软件的优化下，最终的参数Tx固定为5.8、5.73、5.6、5.35、4.9、4.3、3.5和2.2mm，分别对应透射编码“T0”、“T1”、“T2”、“T3”、“T4”、“T5”、“T6”和“T7”；参数Ry1(或Ry2)固定为8、7.5、6.7、6.3、5.95、5.6、5和3mm，分别对应反射编码“R0”、“R1”、“R2”、“R3”、“R4”、“R5”、“R6”和“R7”。从图中可以看出，反射和透射幅度在工作频点15G附近均大于0.9，为实现高效率的多功能器件提供了保证。
图6给出了所设计的三种功能对应的编码图案，采用的编码超材料阵列包含30×30个单元。其中功能F1对应一种梯度的编码图案，用于异常反射来实现波束偏折；功能F2对应一种优化的编码排布，可以实现漫反射效果来降低雷达散射截面(RCS)；功能F3对应一种旋转相位分布的编码图案，可以生成携带2阶模式轨道角动量的涡旋波束。图7是集成这三种功能的编码超材料的结构图案，左图展示了顶层的图案，右图展示了底层的图案。
图8是编码超材料工作于反射模式实现功能F1的远场仿真和测试结果。在沿+z方向传播的y极化入射波照射下，反射波束被偏折到18度的方向上。左图为三维远场仿真方向图，右图为二维远场仿真和测试方向图对比，都很好的证明了波束偏折的出色性能。图9是编码超材料工作于反射模式实现功能F2的远场仿真结果。在沿-z方向传播的y极化入射波照射下，反射波束均匀的分散到空间各个方向，实现了很好的漫散射效应，如左图所示。右图给出了RCS缩减性能对比图，其中参考为相同尺寸的金属平板，可以看出编码超材料可以在整个半空间内将RCS降低12dB以上。
图10和11是编码超材料工作于透射模式实现功能F3的仿真和测试结果。图10左图给出了在沿-z方向传播的x极化入射波照射下的三维远场方向图，可以看出波束呈现环形且中间零陷；右图给出了x-z切面内的电场分布，可以看出波束随着朝-z方向传播呈现发散的特性。图11分别给出了在此模式下近场的测试结果：左图为幅度分布；右图为相位分布。中空的幅度分布和螺旋的相位分布都表明了这个波束为涡旋电磁波，并且携带2阶模式的轨道角动量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。由于本发明设计思路清晰，应用前景广泛，同样的结构可以通过尺寸缩放拓展到太赫兹，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 (4)
1.一种多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料，其特征在于，由多层堆叠结构的超材料单元构成；所述的超材料单元由五层金属结构和四层微波介质板交替排布而成；超材料单元在不同入射方向的x极化和y极化电磁波照射下呈现不同透射和反射相位响应，分别独立控制反射和透射波前，实现对电磁波的全空间调控；在沿±z方向传播的x极化入射波照射下，超材料工作于透射模式来调控透射波前；而在沿±z方向传播的y极化入射波照射下，超材料工作于反射模式，可以独立控制两侧的反射波前；所述的超材料单元包含五层金属结构，从上往下第三层金属结构为开槽金属地层(3)，其余金属结构为十字形金属层相邻的金属结构分别由介质板隔开；所述超材料单元从上往下依次堆叠第一十字形金属层(1)、第一微波介质板(6)、第二十字形金属层(2)、第二微波介质板(7)、开槽金属地层(3)、第三微波介质板(8)、第三十字形金属层(4)、第四微波介质板(9)和第四十字形金属层(5)。
2.根据权利要求1所述的多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料，其特征在于，相邻的微波介质板厚度相同。
3.根据权利要求1所述的多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料，其特征在于，一块编码超材料在反射和透射相位同时编码，独立控制反射和透射波前。
4.根据权利要求1所述的多功能集成的反射透射一体化电磁编码超材料，其特征在于，所述的超材料为超表面。
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