CN108614316B - 一种基于人工电磁表面的透射型波束调控器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，该器件是一个二维周期结构，包括若干衍射单元。所述衍射单元是在介质母体上加载金属‑空气复合结构，或是在金属母体上加载介质‑空气复合结构。所述衍射单元包括母体和多个子单元，子单元分布在母体的一面，相邻子单元之间有一定距离，构成平面二元结构。入射波照射到介质母体或金属母体另一表面上，周期性排列的衍射单元对入射波进行相位调控，转化为特定模式衍射波出射。入射波方向与转化后的衍射波模出射方向位于法线同侧。本发明完全可以避免入射波方向与衍射波方向有可能重叠的问题，并能实现大角度扫描范围。

Description

一种基于人工电磁表面的透射型波束调控器件
技术领域
本发明属于电磁波成像领域，具体涉及一种基于人工电磁表面的透射型波束调控器件。
背景技术
人工电磁表面是厚度远小于波长的新型人工电磁材料，是平面化二维结构。人工电磁材料是一种复合结构，由单元结构和阵列方式来实现。通过人工电磁表面，可以实现波束的偏转。宽角谱是针对器件的波束调控角来说的，一般指器件可以实现一个很大的波束调控角范围。
太赫兹波一般是指频率在0.1THz～10THz(波长在3mm-30μm)之间的电磁波，由于所处的频段位于微波与红外频谱之间，属于宏观电子学向微观电子学过渡的范围，具有宽频带、穿透性、高分辨、指纹谱的特性。
太赫兹波的光子能量低，对生物组织不会产生光损伤及光致电离效应，在生物医学和无损探测等领域具有重大的应用价值；太赫兹波能够穿透衣物、塑料等非极性材料，可用于安检成像；太赫兹波段的波长短，探测分辨率高，可用于航天和空间遥感等领域。
其中应用于安全检测领域的太赫兹成像技术是各个国家都在积极开展研究的技术，将太赫兹成像系统放到机场安检及重要场所的入口处，可以实现非接触的安全检测，可以透过衣服等遮挡物探测到藏匿在人身上毒品、炸药、枪支、匕首等危险违禁物品。现在已经研制出的太赫兹成像原理样机，如美国PNL实验室在2009年研制的0.345THz～0.355THz扫描三维成像系统，美国JPL实验室在2011年研制的0.66THz～0.69THz调频连续波三维成像系统，这些系统都是利用一个或多个反射面的转动来实现二维波束扫描，成像时间长达数秒钟，这在实际应用中是极为耗时的。为缩短成像时间，需要采用电控波束扫描方式，而不是机械扫描方式。
常用的电控波束扫描有相控阵扫描以及频控波束扫描。传统的移相器在太赫兹频段很难实现，通常采用频控波束扫描方式。频控波束扫描是不同的频率对应空间中不同指向的波束，通常采用漏波体制，但是由于需要金属波导，尺寸相对较大；另外一种就是基于人工电磁表面的频控波束扫描器件，平面波入射激励出不同模式的衍射波作为扫描波束，这样扫描的时间将会极大地缩短，因此利用人工电磁表面实现波束扫描是非常有应用前景的。
目前，采用人工电磁表面实现频率扫描多见于反射栅频控波束扫描器件。反射栅形式的频控波束扫描器件是将入射波照射到反射单元上，衍射出扫描波束。在实际扫描成像应用中，很容易造成入射波与衍射扫描波束之间的重叠，不利于完全区分开入射波束和衍射波束。如何设计新体制的波束调控器件，避免这个重叠问题，是非常值得研究的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述问题，本发明提出了一种基于人工电磁表面的透射型波束调控器件。
(二)技术方案
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，包括多个二维周期排列的衍射单元，所述衍射单元包括母体和在母体一面上设置的至少一个子单元；
入射波由衍射单元的与子单元相对的一侧入射，所述二维周期性排列的衍射单元对入射波进行相位调控，并将入射波转化为衍射波模，衍射波模由衍射单元的子单元一侧出射。
上述方案中，所述母体为介质母体，所述子单元为金属-空气复合结构。
上述方案中，所述母体为金属母体，所述子单元为介质-空气复合结构。
上述方案中，衍射单元的周期长度p与入射波角度θi之间的关系为：
Figure BDA0001177565360000031
其中m为衍射波模的阶数，λ为波长。
上述方案中，衍射单元的周期宽度小于半个波长。
上述方案中，衍射单元包括多个不同形状或大小的子单元，相邻子单元之间的衍射波模传输衍射相位差φn+1-φn恒定，φn+1、φn表示相邻子单元的传输衍射相位。
上述方案中，相邻子单元之间的距离dn与相邻子单元之间的衍射波模传输衍射相位差φn+1-φn之间的关系为：
Figure BDA0001177565360000032
其中j为整数，p为衍射单元的周期长度，使得各子单元激发的传输衍射波模同相叠加，实现入射波到衍射波模的增强。
上述方案中，所述子单元是不同尺寸的“工”字形金属片。
上述方案中，所述金属母体是二维周期阵列孔结构，子单元为所述二维周期阵列孔结构中填充的空气。
上述方案中，金属为良导体，包括铜层、薄铁板、薄金层，介质为高频材料，包括玻璃纤维。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的基于高带宽存储器的神经网络计算装置和方法具有以下有益效果：
(1)本发明提出的透射型频控波束器件完全可以避免入射波方向与衍射波方向有可能重叠的问题，不像反射型频控波束需要考虑角度差的问题，分析得到了简化；
(2)在介质母体上加载金属-空气复合结构或者在金属母体上加载介质-空气复合结构，简单方便，易于加工；
(3)基于人工电磁表面的透射型波束调控器件可以实现一个宽角谱扫描，可以应用在太赫兹成像系统、目标快速检测与跟踪等方面；
(4)基于人工电磁表面的透射型波束调控器件可以扩展到其他频段，也可以选择不同模式的衍射波作为调控波束；
(5)通过调节相邻子单元之间间距，可以提高调控波束的转化效率，增强传输衍射波，为此类透射型波束调控器件设计提供了通用指导。
附图说明
图1是本发明实施例的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件示意图；
图2A是本发明实施例的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件衍射单元结构示意图；
图2B是本发明实施例的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件子单元结构示意图；
图3是本发明实施例的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件高阶模波束调控示意图；
图4是本发明实施例的金属母板加载介质-空气复合结构的透射型波束调控器件示意图；
图5是本发明实施例的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件的调控波束衍射角实测图；
图6是本发明实施例的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件衍射波束扫描图。
具体实施方式
本发明提供一种基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，包括多个二维周期排列的衍射单元，衍射单元包括母体和在母体一面上设置的多个子单元，母体另一面接收入射波，周期性排列的衍射单元对入射波进行相位调控，并转化为特定衍射波模出射，入射波与转化后的衍射波分别在衍射单元的上下面上。
现有的反射型频控波束调控器件，入射波从子单元一侧入射，产生的衍射波经反射单元另一侧的反射层反射，衍射波与入射波位于同一侧，在实际扫描成像应用中，很容易造成入射波与衍射扫描波束之间的重叠，不利于完全区分开入射波束和衍射波束。本发明提出的透射型频控波束器件，入射波从子单元另一侧入射，形成的衍射波不经反射，而是直接透射到子单元一侧，完全可以避免入射波方向与衍射波方向有可能重叠的问题，不像反射型频控波束需要考虑角度差的问题，分析得到了简化。
人工电磁表面传播的电磁波是空间谐波叠加而成的，不同空间谐波分为快波和慢波，只有快波才可以辐射出去，快波的横向传播常数满足
Figure BDA0001177565360000051
其中θi是入射角，k0是波数，p是衍射单元周期长度，m是衍射波模的阶数。本发明采用-1阶模作为调控波束，也可以选择其他模式作为调控波束。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1为基于人工电磁表面的透射型波束调控器件的结构示意图，包括子单元11和母体12，子单元分布在母体的一个表面，形成平面二维阵列结构。一个或多个子单元及其对应的母体部分形成一衍射单元。每个衍射单元为透射型波束调控器件的一个周期，衍射单元沿其周期长度方向和周期宽度方向形成二维周期排列，构成该透射型波束调控器件。
母体12为介质母体，子单元11为金属-空气复合结构，。其中，金属包括铜层、薄铁板、薄金层等良导体，介质包括玻璃纤维等高频材料。
图2A为基于人工电磁表面的透射型波束调控器件的衍射单元的结构示意图，衍射单元采用介质母体加载金属-空气复合结构，包括第一子单元21、第二子单元22和介质母体23，在介质母体23的一表面固接“工”字形的第一子单元21和第二子单元22，相邻两个子单元之间具有一定距离，所述第一子单元21和第二子单元22组成平面二元结构。
图3为基于人工电磁表面的透射型波束调控器件高阶模波束调控示意图，入射波照射到介质母体或者金属母体的与分布有子单元的表面相对的另一表面，二维周期排列的衍射单元会对入射波进行相位调控，并转化为特定衍射波模出射，不同频率衍射波模出射角不同。如图3所示，入射波照射到衍射单元上，二维周期排列的衍射单元会产生不同阶衍射波，且只有快波可以传播并辐射出去，零阶模衍射波即为其他阶膜衍射波透射方向与入射波方向位于法线同侧，但分别在衍射单元上下两侧。这样，直接透射波和直接反射波与入射波位于法线两侧，其他阶膜衍射波与入射波位于衍射单元两侧，就可以避免入射波方向与衍射波方向有可能重叠的问题，并且也可以实现一个宽角谱扫描范围。
对于透射型波束调控器件，可以选择不同模式作为调控波束，本实例选择-1阶模作为扫描波束，为了不出现其他高次模式，由光栅方程kp(sinθi+sinθ)＝2mπ，其中θi是入射波入射角，θ是-1阶模衍射角，可以得到衍射单元的周期长度p要满足
Figure BDA0001177565360000061
其中θi是入射波入射角，k是自由空间中的波数。
周期长度p可以通过上述关系得到，周期宽度要小于半个波长，即小于
Figure BDA0001177565360000062
以抑制栅瓣。
选择平面波或高斯波束45°斜入射，由光栅方程可以得到衍射单元周期长度p为1.4mm，周期宽度Dy为0.6mm。介质母体采用Rogers5880高频板，介质母体厚度为0.254mm。透射型波束调控器件的尺寸长为50mm，宽为50mm，透射型波束调控器件在周期长度方向包括32个衍射单元，在周期宽度方向包括72个单元。
如图2B所示，一个衍射单元包含2个不同形状和大小的子单元，这种情况下，周期长度方向即为子单元排列的方向(图中x方向)，周期宽度方向即为与子单元排列方向垂直的方向(图中y方向)。
第一子单元长度L1＝0.5mm，宽度W1＝0.08mm，第二子单元长度L2＝0.2mm，宽度W2＝0.4mm，为增强传输衍射波，通过电磁仿真软件HFSS计算两个子单元从入射波转化为衍射波的转化系数S参数S12的相位即可得到入射波转化为衍射波模的传输衍射相位φ1和φ2，得到第一子单元和第二子单元的传输衍射相位差φ2-φ1，由公式
Figure BDA0001177565360000063
其中j为整数，j＝0，±1，±2…，p为衍射单元的周期长度，计算得到相邻子单元的间距为d＝0.9mm，从而使得各子单元激发的传输衍射波模同相叠加，实现入射波束到出射衍射扫描波束的增强。当衍射单元上子单元个数多于两个时，相邻子单元之间的衍射波模式的传输衍射相位差φn+1-φn恒定，也可根据上述公式计算相邻子单元之间的间距，相邻子单元的传输衍射相位差在器件工作频带内具有较好的一致性，变化量小于±5°。
上述确定相邻子单元间距的方法应用于器件制造，可以提高调控波束的转化效率，为此类透射型波束调控器件制造提供通用指导。
如图5所示，在0.15THz～0.22THz的频率范围内，透射波束调控器件扫描角为30.64°，扫描范围从-46.12°～-15.48°。图6给出了0.15THz～0.22THz的波束扫描方向图。
根据介质表面加载金属-空气复合结构的波束调控器件结构以及表面等离子体激元理论，可以构造金属周期表面加载介质-空气复合结构的波束调控器件结构。图4是金属母板加载介质-空气复合结构的透射型波束调控器件示意图。与上述介质母体和金属-空气复合结构的波束调控器件相同的技术特征不再重复描述。该波束调控器件的母体为金属母板41，子单元为介质-空气复合结构42，为了增强衍射波，可以在金属母体表面增加子单元，通过调节子单元尺寸与距离，可以实现衍射波束的增强。金属母板是二维周期阵列的圆孔或者十字孔等形状的结构，圆孔或者十字孔等结构中填充的可以是空气或者其他介质。金属母板采用亚波长结构，在母板厚度以及周期长度，介质特性可以调节的情况下，不同频率的入射波，其横向色散效应不同，周期结构产生了不同模式的波。通过改善电磁波在金属中的衰减程度，可以实现其在较大距离内的传播，进而可以实现不同模式的波作为扫描波束，金属表面周期结构和介质波导具有一定的相似性。
以上是对本发明的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件实施例的描述，所述波束调控器件并不限于该实施例所描述的内容。
在上述实施例中，所述衍射单元并不限于本实例所述的尺寸，在其他实施例中，所述衍射单元的周期长度与周期宽度，与入射波角度、所需要的频率扫描范围有关，通过所述光栅方程得到。
在上述实例中，所述子单元的形状不限于本实例的“工”字形，在其他实例中可以根据需要调整，只要满足在较宽频带内相邻子单元之间的衍射波模式的传输相位差恒定的条件即可。
在上述实例中，所述子单元的形状为“工”形，不限于本实例的尺寸，在其他实例中可以根据需要调整。
在上述实例中，所述衍射单元包含子单元的数目，不限于本实例中的2个，在其他实例中，可以根据需要调整，但要满足相邻子单元距离与衍射波模式的传输相位差的关系。
所述介质母板的介电常数、厚度不限于本实例所给的具体参数，在其他实例中，所述介质母板可以选择其他材料，也可以选择多层介质基板3。
在上述实例中，金属母板加载介质结构的波束调控器件，可以在金属单元上增加子单元，子单元数目不受限定，可以根据需要调整。
所述金属母板的材料、厚度根据实际需求确定，可以在金属母板上下表面加载介质母板以改善电磁波传输特性。
在上述实例中，器件包含32×72个衍射单元。在其他实例中，衍射单元数目根据具体情况而定，不限于本实例的数目。
在上述实例中，选用的模式不仅限于-1阶模，可以根据需要选用任何模式，分析方法具有共通性。
在对本发明的透射型波束调控器件的多次实验可以证明，透射型波束调控器件仍然可以实现宽角谱扫描，能具有较高的增益。本发明所述的设计方法能够实现太赫兹波段的波束调控。
尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本发明所述技术方案不仅仅适用于太赫兹波段，在其他波段也适用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，包括多个二维周期排列的衍射单元，所述衍射单元包括母体和在母体一面上设置的至少一个子单元；
入射波由衍射单元的与子单元相对的一侧入射，所述二维周期性排列的衍射单元对入射波进行相位调控，并将入射波转化为衍射波模，衍射波模由衍射单元的子单元一侧出射。
2.根据权利要求1所述的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，所述母体为介质母体，所述子单元为金属-空气复合结构。
3.根据权利要求1所述的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，所述母体为金属母体，所述子单元为介质-空气复合结构。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，衍射单元的周期长度p与入射波角度θi之间的关系为：
Figure FDA0001177565350000011
其中m为衍射波模的阶数，λ为波长。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，衍射单元的周期宽度小于半个波长。
6.根据权利要求1-3任一项所述的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，衍射单元包括多个不同形状或大小的子单元，相邻子单元之间的衍射波模传输衍射相位差φn+1-φn恒定，φn+1、φn表示相邻子单元的传输衍射相位。
7.根据权利要求6所述的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，相邻子单元之间的距离dn与相邻子单元之间的衍射波模传输衍射相位差φn+1-φn之间的关系为：
Figure FDA0001177565350000012
其中j为整数，p为衍射单元的周期长度，使得各子单元激发的传输衍射波模同相叠加，实现入射波到衍射波模的增强。
8.根据权利要求2所述的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，所述子单元是不同尺寸的“工”字形金属片。
9.根据权利要求3所述的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，所述金属母体是二维周期阵列孔结构，子单元为所述二维周期阵列孔结构中填充的空气。
10.根据权利要求1-3任一项所述的基于人工电磁表面的透射型波束调控器件，其特征在于，金属为良导体，包括铜层、薄铁板、薄金层，介质为高频材料，包括玻璃纤维。
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