CN109888502A - 用于微波段反射功能的电磁编码超材料及其基本单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于微波段反射功能的电磁编码超材料及基本单元，包括了一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由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金属铜层，介质板层(聚四氟乙烯)和全反射零透射层。本发明具有单层结构、易于加工、高效反射等优点，可用于高效控制波束偏折，实现任意入射角度与任意出射角度的完美反射。
Description
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完美反射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。
以上提到的超材料的单元对于电磁波的反射效率在一些情况下很低，为了突破这一限制以实现高反射效率的完美反射，需要设计新的单元和超材料。
发明内容
技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于微波段反射功能的电磁编码超材料及基本单元，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，其便可在垂直入射电磁波的照射下以极高的反射效率将入射电磁波反射至不同的出射方向上。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种应用于微波段反射功能的电磁编码超材料基本单元采用的技术方案为：
该电磁编码基本单元包括层状依次设置的矩阵金属铜层，介质板层以及全反射零透射层。
所述介质板层的厚度为1.5-2.0mm，介电常数为2.0-2.5，损耗角正切为0.0008-0.001。
所述金属铜层为矩形金属铜片，其厚度为0.035mm，电导率为5.9×10^7S/m。
所述全反射零透射层由一层完整覆盖的铜构成，厚度为0.035mm，电导率为5.9×10^7 S/m。
本发明的应用于微波段的完美反射功能的电磁编码基本单元的超材料，该超材料包括一个以上并排排列的超级子单元。
所述超级子单元由N个所述基本单元并排排列所组成，N为非零正整数。
所述基本单元共有8种基本单元结构；通过调节矩形金属铜层的长边长度，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八种数字态响应，这8 种数字态响应对应八种反射相位，根据八种数值态响应进而得到8个不同相位数字态编码，这8个不同相位数字态编码对应八种基本单元结构。
所述产生的八种数字态响应分别为“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”和“7”，这八种数字态响应分别对应的八种反射相位为0度，45度，90度，133度，176度，221度，269度和 302度；8个相位数字态编码为“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”和“7”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。
所述的基本单元的长边长度L为14-16mm，短边长度W为3.8-4.2mm。
所述的8种基本单元结构的几何参数中矩形金属铜层的短边长度均为3mm；“0”数字态编码单元的金属铜层长边长度为7.7mm，“1”数字态编码单元的金属铜层长边长度为8.1mm，“2”数字态编码单元的金属铜层长边长度为8.6mm，“3”数字态编码单元的金属铜层长边长度为9.5mm，“4”数字态编码单元的金属铜层长边长度为14mm，“5”数字态编码单元的金属铜层长边长度为4mm，“6”数字态编码单元的金属铜层长边长度为6.4mm，“7”数字态编码单元的金属铜层长边长度为7.3mm。
有益效果：本发明提供的一种应用于微波段反射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.本发明采用单层设计结构，使得电磁超材料具有体积小、质量轻的特点。
3.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完美反射功能，包括将垂直入射的电磁波以极高的反射效率将其在特定方向上出射。
4.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。
5.本发明加工简单，便于实现。仅依靠简单的金属铜图样，在微波频段内易于制备加工。
附图说明
图1为3-bit的编码超表面对于垂直入射的电磁波进行不同出射角度调控原理图。
图2为本发明的基本单元结构的模型图。
图3为8种数字态编码单元在10GHz频点处对于正入射电磁波反射相位响应以及反射幅度相应。
图4为四种不同的编码矩阵图案；图4(a)为编码矩阵为[0011223345566777…]时的S1编码图案；图4(b)为编码矩阵为[011233455677…]时的S2编码图案；图4(c)编码矩阵为[0112345677…]时的S3编码图案；图4(d)编码矩阵为[01124677…]的S4编码图案。
图5是编码矩阵为S1、S2、S3和S4时，四种超表面的二维数值仿真的散射电场示意图；图5(a)为S1编码矩阵的二维散射电场示意图；图5(b)为S2编码矩阵的二维散射电场示意图；图5(c)为S3编码矩阵的二维散射电场示意图；图5(d)为S4编码矩阵的二维散射电场示意图。
图6是编码矩阵为S1、S2、S3和S4时，四种超表面的远场散射信号实验测试结果；图6(a) 为S1编码矩阵10GHz频点处远场散射信号实验测试结果；图6(b)为S2编码矩阵10GHz频点处远场散射信号实验测试结果；图6(c)为S3编码矩阵10GHz频点处远场散射信号实验测试结果；图6(d)为S4编码矩阵10GHz频点处远场散射信号实验测试结果。
图7为基本单元结构的结构示图，其中图7(a)为基本单元结构的正视图，图7(b)为图7(a) 的A-A向剖视图，图7(c)为图7(a)的B-B向剖视图。
其中有：矩形金属铜层1，介质板层2，全反射零透射层3，电磁编码基本单元4，超级子单元5，超材料6。
各尺寸参数表示含义：a为矩形金属铜层短边边长；b为矩形金属铜层长边边长；t为金属铜层及全反射零透射层的厚度；h为介质板厚度；W为单元的短边长度；L为单元的长边长度。
具体实施方式
本发明一种应用于微波段反射功能的电磁编码超材料的基本单元结构，包括依次设置的矩形金属铜层，介质板层以及全反射零透射层。
一种应用于微波段反射功能的电磁编码超材料,包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构包括矩形金属铜层，介质板层以及全反射零透射层。
优选的：所述的基本单元结构共有8种基本单元结构；通过调节矩形金属铜层的长边边长，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八个数字态相应，这八种数字态响应对应八种反射相位，根据八种数值态响应进而得到8个不同相位数字态编码，这8个不同相位数字态编码对应8种基本单元结构。
优选的：产生的八种数字态响应分别为“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”和“7”，这八种数字态响应分别对应的八种反射相位为0度，45度，90度，133度，176度，221度，269 度和302度；8个相位数字态编码为“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”和“7”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。
优选的：所述介质板层的厚度为1.5-2.0mm，介电常数为2.0-2.5，损耗角正切为0.0008-0.001。
优选的：所述的基本单元的长边长度L为14-16mm，短边长度W为3.8-4.2mm。
优选的：所述的8种基本单元结构的几何参数中矩形金属铜层的短边长度均为3mm；“0”数字态编码单元的金属铜层长边长度为7.7mm，“1”数字态编码单元的金属铜层长边长度为8.1mm，“2”数字态编码单元的金属铜层长边长度为8.6mm，“3”数字态编码单元的金属铜层长边长度为9.5mm，“4”数字态编码单元的金属铜层长边长度为14mm，“5”数字态编码单元的金属铜层长边长度为4mm，“6”数字态编码单元的金属铜层长边长度为6.4mm，“7”数字态编码单元的金属铜层长边长度为7.3mm。
优选的：所述全反射零透射层的背面覆盖一层金属铜形成。
下面结合具体实施例，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，以具有特定相位响应的八种电磁超材料单元作为八种数字编码态“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”和“7”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高反射效率的完美反射调控功能。下面结合附图对于本发明进行更深入的阐述。
图1是3-bit的编码超表面对于垂直入射的电磁波进行不同出射角度调控原理图。对于相同的正入射的电磁波，设计不同编码矩阵的超表面可以实现对于电磁波以极高的效率在多种出射角度上的异常反射，达到完美反射的效果。
图2是3-bit电磁编码超材料单元结构示意图。八种数字态编码单元从上至下依次为矩形金属铜层、F4B(聚四氟乙烯)层和金属铜层。整个单元结构的单元长边周期长度L为14-16mm，短边周期长度W为3.8-4.2mm，所述介质层的厚度为1.5-2.0mm，介电常数为2.0-2.5，损耗角正切为0.0008-0.001，金属铜层的厚度为0.001mm，上层矩形金属铜层的短边边长为3mm。
如图3所示，通过改变顶层金属铜层的长边边长，可以得到特定相位响应的八种数字态编码单元。“0”数字态编码单元的金属铜层长边长度为7.7mm，“1”数字态编码单元的金属铜层长边长度为8.1mm，“2”数字态编码单元的金属铜层长边长度为8.6mm，“3”数字态编码单元的金属铜层长边长度为9.5mm，“4”数字态编码单元的金属铜层长边长度为 14mm，“5”数字态编码单元的金属铜层长边长度为4mm，“6”数字态编码单元的金属铜层长边长度为6.4mm，“7”数字态编码单元的金属铜层长边长度为7.3mm。从图3中可见，八种数字编码态单元在10Ghz频点处产生的反射相位响应为0度，45度，90度，133度，176 度，221度，269度和302度，并且八种数字编码态单元的反射幅度均接近于1.
图4展示的是所设计的四种不同的编码矩阵的编码超表面。在本发明中，我们引入了超级子单元，对于四种不同的编码矩阵，其对应的超级子单元分别由16，12，10和8个编码单元组成从而构成一个单一的超级子单元，而四种超表面分别由7×20，8×20，9×20和12×20 个超级子单元构成，因此整个编码超表面的尺寸分别为432mm×300mm，384mm×300mm， 360mm×300mm和384mm×300mm。
图5为四种不同周期性编码矩阵下的超表面二维数值仿真的散射电场示意图，频率为 10GHz，主要展现了超表面使得电磁波以特定角度完美反射的调控功能。其中S1编码矩阵为 [0011223345566777…]，编码矩阵在x轴方向上周期变化，y轴方向上不变；S2编码矩阵为 [011233455677…]，编码矩阵在x轴方向上周期变化，y轴方向上不变；S3编码矩阵为 [0112345677…]，编码矩阵在x轴方向上周期变化，y轴方向上不变；S4编码矩阵为[01124677…]，编码矩阵在x轴方向上周期变化，y轴方向上不变。
图5(a)所示为垂直正入射电磁波时，S1编码矩阵超表面二维数值仿真的散射电场示意图。此时反射电场以近乎平面波的形式出射，反射角为28度。图5(b)所示为垂直正入射电磁波时，S2编码矩阵超表面二维数值仿真的散射电场示意图。此时反射电场以近乎平面波的形式出射，反射角为38度。图5(c)所示为垂直正入射电磁波时，S3编码矩阵超表面二维数值仿真的散射电场示意图。此时反射电场以近乎平面波的形式出射，反射角为48度。图 5(d)所示为垂直正入射电磁波时，S4编码矩阵超表面二维数值仿真的散射电场示意图。此时反射电场以近乎平面波的形式出射，反射角为70度。
图6为编码矩阵为S1、S2、S3和S4时，四种超表面的远场散射信号实验测试结果示意图。图6(a)为10GHz频点处S1编码超表面的远场散射信号测试结果；图6(b)为10GHz频点处S2编码超表面的远场散射信号测试结果；图6(c)为10GHz频点处S3编码超表面的远场散射信号测试结果；图6(d)为10GHz频点处S4编码超表面的远场散射信号测试结果。其中位于0度的峰值信号表示完美反射的出射信号，位于最左侧的峰值信号表示全金属反射信号，对这两个峰值信号的比值进行修正即可得到反射效率。从实验结果有效验证了所设计的完美反射功能的编码超表面对于正入射的电磁波实现多种出射角度的完美反射功能。
Claims (10)
1.一种应用于微波段反射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层状依次设置的矩阵金属铜层(1)，介质板层(2)以及全反射零透射层(3)。
2.根据权利要求1所述的应用于微波段反射功能的电磁编码超材料基本单元，其特征在于：所述介质板层(2)的厚度为1.5-2.0mm，介电常数为2.0-2.5，损耗角正切为0.0008-0.001。
3.根据权利要求1所述的应用于微波段反射功能的电磁编码超材料基本单元，其特征在于：所述金属铜层(1)为矩形金属铜片，其厚度为0.035mm，电导率为5.9×10^7S/m。
4.根据权利要求1所述的应用于微波段反射功能的电磁编码超材料基本单元，其特征在于：所述全反射零透射层(3)由一层完整覆盖的铜构成，厚度为0.035mm，电导率为5.9×10^7S/m。
5.一种采用权利要求1、2、3或4所述的应用于微波段反射功能的电磁编码基本单元的超材料，其特征在于：该超材料包括一个以上并排排列的超级子单元。
6.根据权利要求5所述的应用于微波段反射功能的电磁编码基本单元的超材料，其特征在于所述超级子单元由N个所述基本单元并排排列所组成，N为非零正整数。
7.根据权利要求5所述的应用于微波段反射功能的电磁编码基本单元的超材料，其特征在于：所述基本单元共有8种基本单元结构；通过调节矩形金属铜层(1)的长边长度，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八种数字态响应，这8种数字态响应对应八种反射相位，根据八种数值态响应进而得到8个不同相位数字态编码，这8个不同相位数字态编码对应八种基本单元结构。
8.根据权利要求7所述的应用于微波段反射功能的电磁编码基本单元的超材料，其特征在于：所述产生的八种数字态响应分别为“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”和“7”，这八种数字态响应分别对应的八种反射相位为0度，45度，90度，133度，176度，221度，269度和302度；8个相位数字态编码为“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”和“7”，其分别表示正入射电磁波下的反射相位数字态。
9.根据权利要求6所述的应用于微波段反射功能的电磁编码基本单元的超材料，其特征在于：所述的基本单元的长边长度L为14-16mm，短边长度W为3.8-4.2mm。
10.根据权利要求7所述的应用于微波段反射功能的电磁编码基本单元的超材料，其特征在于：所述的8种基本单元结构的几何参数中矩形金属铜层的短边长度均为3mm；“0”数字态编码单元的金属铜层长边长度为7.7mm，“1”数字态编码单元的金属铜层长边长度为8.1mm，“2”数字态编码单元的金属铜层长边长度为8.6mm，“3”数字态编码单元的金属铜层长边长度为9.5mm，“4”数字态编码单元的金属铜层长边长度为14mm，“5”数字态编码单元的金属铜层长边长度为4mm，“6”数字态编码单元的金属铜层长边长度为6.4mm，“7”数字态编码单元的金属铜层长边长度为7.3mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190614 |