CN109462036A - 一种具有自适应功能的电磁编码基本单元及超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自适应功能的电磁编码基本单元及超材料，该超材料包括N×N(N为非零正整数)个2‑比特可编程编码单元组成，智能超材料单元结构包括金属结构层、表层调控二极管、介质板层、全反射零透射层、介质板层；所有单元均可通过可编程门阵列实现同步独立实时调控，可产生四种编码状态，对应四种反射相位——0°、90°、180°和270°。所述智能超材料通过螺旋仪感知超材料的位置和角度，根据事先程序设定，可产生波束偏折、特定模式轨道角动量波束和缩减目标雷达散射截面(RCS)等多种应用，从而实现超材料对特定空间状态下自适应地产生不同的电磁响应。本发明具有单层结构、易于加工等优点。

Description

一种具有自适应功能的电磁编码基本单元及超材料

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具有自适应功能的电磁编码超材料。

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。

以上提到的超材料单元都是无源的，不可控的，一旦设计好之后功能也就被确定下来。并且不存在反馈机制，对于环境的变化无法自主地做出相关的响应。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有自适应功能的电磁编码基本单元及超材料，通过螺旋仪的感应特定的环境变化。设计特定的数字编码矩阵并通过FPGA控制编码单元的状态将编码矩阵对应地赋予材料中的每个基本单元，其便可在不同角度方位入射电磁波的情况下独立地实现不同的功能，例如波束定向、生成轨道角动量波束、漫散射、降低雷达散射截面积等功能。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供的一种具有自适应功能的电磁编码基本单元及超材料采用的技术方案为：

该电磁编码基本单元包括依次设计的表层金属结构层、表层调控二极管、中间介质板层、全反射零透射层以及底部介质板层；其中，在底部介质板层上设有全反射零透射层，在全反射零透射层上设有中间介质板层，在中间介质板层上设有表层金属结构层；表层金属结构层包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、方形贴片、矩形内框、矩形外框，矩形外框位于表层金属结构层内的四周，在矩形外框内设有矩形内框，在矩形内框内的两侧对称设有第一矩形贴片、第二矩形贴片，在第一矩形贴片、第二矩形贴片之间设有方形贴片，两个表层调控二极管分别位于第一矩形贴片与方形贴片之间以及第二矩形贴片与方形贴片之间。

所述中间介质板层的厚度为1.5-2.0mm，介电常数为2.5-2.8，损耗角正切为0.001-0.002，底部介质板层的厚度为0.5-0.7mm，损耗角正切为0.01-0.02。

所述表层金属结构层的几何参数如下：

本发明的一种具有自适应功能的电磁编码基本单元组成的超材料，该超材料由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述的基本单元的周期长度a为8-10mm。

所述组成超材料的基本单元共有4种基本单元状态；通过可编程门阵列FPGA控制基本单元上表层调控二极管的导通和截止状态，得到对于每一个基本单元结构可以在正入射的线极化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，根据该四种数字态响应进而得到4个不同相位数字态编码，这4个不同相位数字态编码对应4种基本单元上表层调控二极管的导通和截止状态；通过螺旋仪感知超材料的位置和角度变化，反馈至FPGA用以控制超材料产生特定情况下的特定功能。

所述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；4个相位数字态编码为“00”、“01”、“10”和“11”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。

所述的4种基本单元状态的两个二极管工作状态中“00”对应工作状态为导通/导通，“01”对应工作状态为导通/截止，“10”对应工作状态为截止/导通，“11”对应工作状态为截止/截止。

有益效果：本发明提供的一种具有自适应功能的电磁编码基本单元及超材料，相比现有技术，具有以下有益效果：

1.本发明区别于传统的利用等效媒质参数对超材料进行分析与设计的方案，从数字编码的角度分析和设计超材料，极大的简化了设计过程。

2.本发明通过控制二极管的工作状态继而控制超材料单元的反射相位，使得所设计的电磁超材料具有可编程的功能。

3.本发明通过螺旋仪感知智能超材料的位置和角度变化，通过反馈机制进而控制电磁超材料做出相关的相应以实现不同的功能。

4.本发明通过不同编码序列的组合实现电磁超材料对于电磁波的多种调控功能，包括特定角度反射波束、漫散射RCS缩减，以及生成轨道角动量波束。

5.本发明具有一定的宽带特性。所设计的超材料单元在在宽频带内均能实现所要求的的设计功能。

6.本发明加工简单，便于实现。仅依靠简单的金属图样，在微波频段内易于制备加工。

附图说明

图1和图2为2-bit电磁编码超表面及基本单元及其结构模型图。

基本单元结构其中有：表层金属结构层1、表层调控二极管2、中间介质板层3、全反射零透射层4、底部介质板层5；第一矩形贴片1.1、第二矩形贴片1.2、方形贴片1.3、矩形内框1.4、矩形外框1.5。

各尺寸参数表示含义：a为单元的周期长度；b1为矩形贴片宽度；b2为矩形贴片长度；b3为方形贴片边长；c1为矩形内框宽度；c2为矩形外框长度；h为中间介质板层3厚度；h1为底部介质板层5厚度；w为矩形框线宽。

图3为“00”、“01”、“10”和“11”四种数字态编码单元对于正入射电磁波反射相应；图3(a)为反射幅度相应；图3(b)为反射相位相应。

图4为电磁编码超表面的两种自适应原理示意图；图4(a)为方案A波束定向原理示意图；图4(b)为方位角为270度，俯仰角分别为20度、40度和60度时波束定向功能示意图；图4(c)为俯仰角为60度，方位角分别为200度、220度和240度时波束定向功能示意图；图4(d)为方案B多向多功能原理示意图；图3(e)为轨道角动量波束生成功能示意图；图4(f)为RCS缩减功能示意图。

图5为方案A波束定向编码图案和仿真结果示意图；图5(a)、(b)和(c)为方位角270度，俯仰角分别为20度、40度和60度时的编码图案；图5(d)、(e)和(f)为方位角270度，俯仰角分别为20度、40度和60度时的二维远场方向图仿真结果；图5(g)、(h)和(i)为俯仰角60度，方位角分别为200度、220度和240度时的编码图案；图5(j)、(k)和(l)为俯仰角60度，方位角分别为200度、220度和240度时的二维远场方向图仿真结果。

图6为方案B多向多功能的编码图案和仿真结果示意图；图6(a)为轨道角动量波束生成功能的编码图案；图6(b)为轨道角动量波束二维远场方向图仿真结果；图6(c)为RCS缩减功能的编码图案；图6(d)为RCS缩减二维远场方向图仿真结果。

图7为方案A波束定向二维远场方向图测试结果示意图；图7(a)、(b)和(c)为方位角270度，俯仰角分别为20度、40度和60度时二维远场方向图测试结果；图7(d)、(e)和(f)为俯仰角60度，方位角分别为200度、220度和240度时二维远场方向图测试结果。

图8为方案B多向多功能二维远场方向图测试结果示意图；图8(a)为轨道角动量波束生成功能远场和近场测试结果；图8(b)为RCS缩减二维远场方向图测试结果。

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。在本发明中，以相位响应相差90度的四种电磁超材料单元作为两种数字编码态“00”、“01”、“10”和“11”单元，通过设计不同的编码矩阵，以实现对于正入射的电磁波进行特定功能的调控。下面结合附图对于本发明进行更深入的阐述。

本发明一种应用于微波段的具有自适应功能的智能电磁编码超材料的基本单元结构，包括依次设置的表层金属结构层、表层调控二极管、介质板层、全反射零透射层以及介质板层。

优选的：所述中间介质板层3的厚度为1.5-2.0mm，介电常数为2.5-2.8，损耗角正切为0.001-0.002，底部介质板层5的厚度为0.5-0.7mm，损耗角正切为0.01-0.02。

优选的：所述应用于微波段的具有自适应功能的智能超材料由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数。

优选的：所述基本单元共有4种基本单元状态；通过FPGA控制基本单元上二极管的导通和截止状态，得到对于每一个基本单元结构可以在正入射的线极化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，根据四种数值态响应进而得到4个不同相位数字态编码，这4个不同相位数字态编码对应4种基本单元上二极管的导通和截止状态。

优选的：所述通过螺旋仪感知超材料的位置和角度，反馈至FPGA用以控制超材料产生特定情况下的特定功能。

优选的：产生的四种数字态响应分别为“00”、“01”、“10”和“11”，这两种数字态响应分别对应的两种反射相位为0度、90度、180度和270度；4个相位数字态编码为“00”、“01”、“10”和“11”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。

优选的：所述的基本单元的周期长度a为8-10mm。

优选的：所述基本单元其特征在于：表层金属层结构的几何参数如下：

优选的：所述4种基本单元状态的两个二极管工作状态中“00”对应工作状态为导通/导通，“01”对应工作状态为导通/截止，“10”对应工作状态为截止/导通，“11”对应工作状态为截止/截止。

优选的：所述的应用于微波段的具有自适应功能的智能电磁编码基本单元的超材料，其特征在于：所述中间介质板层3和底部介质板层5中间填充了一层金属层。

图1、图2为2-bit电磁编码超表面及基本单元。编码单元从上至下依次为表层金属结构层、表层调控二极管、介质板层、全反射零透射层以及介质板层。整个单元的周期长度a为8-10mm，所述中间介质层3厚度为1.5-2.0mm，介电常数为0.001-0.002。所述底部介质板层5的厚度为0.5-0.7mm，损耗角正切为0.01-0.02。矩形贴片宽度b1为1.8mm；矩形贴片长度b2为5.5mm；方形贴片边长b3为2.4mm；矩形内框宽度c1为6.1mm；矩形外框长度c2为8.8mm；中间介质板层3厚度h为1.6mm；底部介质板层5厚度h1为0.5mm；矩形框线宽w为0.2mm。

所述电磁编码超表面由30×30个基本单元组成，整个编码超表面的尺寸为270mm×270mm。通过螺旋仪感知编码超表面的位置和角度，进而反馈至处理器再通过FPGA控制电磁编码超表面上二极管的导通或截止状态，实现自适应功能。

图3为“00”、“01”、“10”和“11”四种数字态编码单元对于正入射电磁波反射相应。所述的4种基本单元结构的两个二极管工作状态中“00”对应工作状态为导通/导通，“01”对应工作状态为导通/截止，“10”对应工作状态为截止/导通，“11”对应工作状态为截止/截止。如图4所示，4种数字编码态单元在工作频点9GHz处反射幅度均达到0.8以上，说明具有良好的反射效率。而4种数字态编码单元的反射相位分别为0度、90度、180度和270度，并且在一定的带宽频带内4种数字编码态单元的相位差均接近于90度。

图4为电磁编码超表面的两种自适应原理示意图。方案A实现的是波束定向功能，对于方位角和俯仰角变化时控制反射波束均指向某一个确定的方向。如图4所示，当固定方位角为270度，俯仰角分别为20度、40度和60度时，亦或是固定俯仰角为60度，方位角分别为200度、220度和240度时，反射波束均指向同一方向。

方案B实现的是多向多功能，当编码超表面位置角度的变化时反射波束实现轨道角动量或者是RCS缩减。如图4所示，当俯仰角大于45度时反射波束为单波束出射；当俯仰角小于45度大于0度时反射波束为轨道角动量波束；当俯仰角小于0度时为RCS缩减。

图5为方案A波束定向编码图案和仿真结果示意图。如图所示，当固定方位角为270度时，仿真结果中反射波束出射方向分别为19.6度、39.3度和60度。当固定俯仰角为60度时，仿真结果中反射波束出射方向分别为199.8度、219.5度和239.8度。由此说明当方位角和俯仰角变化时所设计超表面均可实现较为理想的波束定向功能。

图6为方案B多向多功能编码图案和仿真结果示意图。如图5所示当以轨道角动量形式编码超表面时，反射波束在0度出射方向出现明显零陷，以均匀的涡旋波形式出射。当以随机编码的形式编码超表面时，反射波束呈现漫散射状态，能够有效实现RCS缩减功能。

图7为方案A波束定向功能二维远场方向图测试结果示意图。如图所示当固定方位角为270度，俯仰角分别为20度、40度和60度时，反射波束剧指向同一个出射方向。当俯仰角为60度，方位角分别为200度、220度和240度时，反射波束也均指向同以出射方向。实验结果与仿真结果具有非常高的吻合度。

图8为方案B多向多功能二维远场方向图测试结果示意图。如图所示，对于轨道角动量波束生成功能，二维远场方向图测试结果说明出射波束为中间幅度较小的凹陷波。近场测试结果说明在反射波束的相位分布在一个周期上均匀变化720度，出射波束为二阶轨道角动量波束。对于RCS缩减功能，相应的二维远场方向图测试结果说明反射波束在整个出射上半空间中整体RCS缩减至少10dB，能实现良好的RCS缩减功能。

Claims (7)

1.一种具有自适应功能的电磁编码基本单元，其特征在于：该电磁编码基本单元包括依次设计的表层金属结构层(1)、表层调控二极管(2)、中间介质板层(3)、全反射零透射层(4)以及底部介质板层(5)；其中，在底部介质板层(5)上设有全反射零透射层(4)，在全反射零透射层(4)上设有中间介质板层(3)，在中间介质板层(3)上设有表层金属结构层(1)；表层金属结构层(1)包括第一矩形贴片(1.1)、第二矩形贴片(1.2)、方形贴片(1.3)、矩形内框(1.4)、矩形外框(1.5)，矩形外框(1.5)位于表层金属结构层(1)内的四周，在矩形外框(1.5)内设有矩形内框(1.4)，在矩形内框(1.4)内的两侧对称设有第一矩形贴片(1.1)、第二矩形贴片(1.2)，在第一矩形贴片(1.1)、第二矩形贴片(1.2)之间设有方形贴片(1.3)，两个表层调控二极管(2)分别位于第一矩形贴片(1.1)与方形贴片(1.3)之间以及第二矩形贴片(1.2)与方形贴片(1.3)之间。

2.根据权利要求1所述的一种具有自适应功能的电磁编码基本单元，其特征在于：所述中间介质板层(3)的厚度为1.5-2.0mm，介电常数为2.5-2.8，损耗角正切为0.001-0.002，底部介质板层(5)的厚度为0.5-0.7mm，损耗角正切为0.01-0.02。

3.根据权利要求1所述的一种具有自适应功能的电磁编码基本单元，其特征在于：所述表层金属结构层(1)的几何参数如下：

4.一种采用权利要求1所述的一种具有自适应功能的电磁编码基本单元组成的超材料，其特征在于：该超材料由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述的基本单元的周期长度a为8-10mm。

5.根据权利要求4所述的一种具有自适应功能的电磁编码基本单元组成的超材料，其特征在于：所述组成超材料的基本单元共有4种基本单元状态；通过可编程门阵列FPGA控制基本单元上表层调控二极管(2)的导通和截止状态，得到对于每一个基本单元结构可以在正入射的线极化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，根据该四种数字态响应进而得到4个不同相位数字态编码，这4个不同相位数字态编码对应4种基本单元上表层调控二极管(2)的导通和截止状态；通过螺旋仪感知超材料的位置和角度变化，反馈至FPGA用以控制超材料产生特定情况下的特定功能。

6.根据权利要求5所述的一种具有自适应功能的电磁编码基本单元组成的超材料，其特征在于：所述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；4个相位数字态编码为“00”、“01”、“10”和“11”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。

7.根据权利要求5所述的具有自适应功能的电磁编码基本单元组成的超材料，其特征在于：所述的4种基本单元状态的两个二极管工作状态中“00”对应工作状态为导通/导通，“01”对应工作状态为导通/截止，“10”对应工作状态为截止/导通，“11”对应工作状态为截止/截止。