CN111092300A - 一种基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元及超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铟锡氧化物的调幅编码反射式的多种基本单元及超材料，不同的单元采用不同的环状结构，对垂直入射的电磁波有不同的反射幅度响应。本发明根据四种单元不同的幅度响应，通过选择不同的基本单元设计相应的编码单元阵列，可以灵活设计超表面阵列的整体幅度响应，针对相同能量大小的垂直入射电磁波，不同的编码单元序列可以产生不同的辐射幅度。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元及超材料。
背景技术
在过去的几十年里，由亚波长单位结构组成的人工超材料由于其奇异的电磁特性而引起了极大的关注，然而这些特性在自然界中并不存在。此外，超材料的出现极大地扩展了操纵电磁波的应用，产生了诸如电磁波吸收器、高阻抗表面、隐身斗篷、极化旋转器等新型电磁器件。为了克服制作的限制，并满足低剖面、低损耗和高保形能力的要求，将超表面表示为二维的超材料。目前，超表面已经显示出其潜在的应用前景，包括从微波到可见光的频率，甚至是声场。
最近，受数字电路中“开”和“关”两种明确状态的启发，提出了一种数字编码超表面的概念，可以灵活地处理反射或透射的电磁波，这将物理单元和数字代码联系在了一起。利用一定的编码序列，数字编码超表面可以实现反常的反射和折射、波束整形和幅度调制。与传统的模拟超表面不同，数字编码超表面使用二进制码0和1来描述不同的数字状态，通常用离散相位、涡流或极化状态来定义。由于编码的概念，辐射或散射模式的设计变得更加方便和灵活。在此基础上，提出了利用现场可编程门阵列对每个编码单元进行数字动态控制的可编程超表面。
为了减小特定目标的雷达截面，一般采用具有一定带宽的微波吸收器，其对电磁波的吸收能力显著。尽管微波吸收器在微波吸收和屏蔽方面的先进性能有了很大的进步，但其传统的缺点——即光学不透明特性——极大地限制了它们的特殊应用，因为它们的实际自由度很低，物体需要高的光学透过率。近年来开发基于光学透明材料的高效微波吸收器，这些器件都是基于传统的模拟超表面。另外，以往关于数字编码超表面的研究主要是基于相移对电磁波进行处理，同时编码单元在光学上是不透明的。
在此，我们提出使用铟锡氧化物的光学透明反射振幅调制数字编码超表面。提出了一种多环结构的编码单元，在实现多比特编码单元的同时，拓宽了其带宽。此外，调幅编码元件几乎可以覆盖从全反射到全吸收的过程。因此，只要控制一定的数字编码序列，就可以很容易地实现对电磁波振幅的任意控制。此外，通过设计相应尺度的编码单元，可以将该概念推广到其它频率。与传统的幅值控制超表面相比，基于铟锡氧化物的幅值调制编码超表面由于具有良好的光学透明性，具有更大的应用潜力。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元及超材料，通过改变圆环贴片的数量和宽度w来改变超材料特性，通过设计特定的数字编码序列来实现超材料不同的反射幅度状态。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元，其特征在于，该基本单元包括自上而下依次设置的表层结构层(1)、介质板层(2)、底层铟锡氧化物结构层(3)，所述表层结构层(1)贴附于介质板层(2)上表面，底层铟锡氧化物结构层(3)贴附于介质板层(2)下表面，表层结构层(1)包括一个半径可变的铟锡氧化物圆形贴片，或者包括N个半径可变的铟锡氧化物圆环贴片，并且N≥2。
下面以四个基本单元进行举例说明：
基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元0，基本单元包括自上而下依次设置的表层铟锡氧化物结构层(1)、介质板层(2)、底层铟锡氧化物结构层(3)；所述表层铟锡氧化物结构层(1)包括贴附于介质板层(2)上表面的第一圆环贴片(4)、第二圆环贴片(5)，底层铟锡氧化物结构层(3)贴附于介质板层(2)下表面。此处的第一圆环贴片(4)、第二圆环贴片(5)可以放置在介质板层(2)的中心位置，也可以是非中心位置，并且第一圆环贴片(4)、第二圆环贴片(5)可以是同心的，也可以是非同心的不重叠嵌套放置。
基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元1，基本单元包括自上而下依次设置的表层铟锡氧化物结构层(1)、介质板层(2)、底层铟锡氧化物结构层(3)；所述表层铟锡氧化物结构层(1)包括贴附于介质板层(2)上表面的第三圆环贴片(6)、第四圆环贴片(7)、第五圆环贴片(8)，底层铟锡氧化物结构层(3)贴附于介质板层(2) 下表面。此处的第三圆环贴片(6)、第四圆环贴片(7)、第五圆环贴片(8)可以放置在介质板层(2)的中心位置，也可以是非中心位置，并且第三圆环贴片(6)、第四圆环贴片(7)、第五圆环贴片(8)可以是同心的，也可以是非同心的不重叠嵌套放置。
基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元2，基本单元包括自上而下依次设置的表层铟锡氧化物结构层(1)、介质板层(2)、底层铟锡氧化物结构层(3)；所述表层铟锡氧化物结构层(1)包括贴附于介质板层(2)上表面的第六圆环贴片(9)、第七圆环贴片(10)，底层铟锡氧化物结构层(3)贴附于介质板层(2)下表面。此处的第六圆环贴片(9)、第七圆环贴片(10)可以放置在介质板层(2)的中心位置，也可以是非中心位置，并且第六圆环贴片(9)、第七圆环贴片(10)可以是同心的，也可以是非同心的不重叠嵌套放置。并且，第六圆环贴片(9)、第七圆环贴片(10)的宽度和半径与第一圆环贴片(4)、第二圆环贴片(5)的宽度和半径均不相同。
基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元3，基本单元包括自上而下依次设置的表层铟锡氧化物结构层(1)、介质板层(2)、底层铟锡氧化物结构层(3)；所述表层铟锡氧化物结构层(1)包括贴附于介质板层(2)上表面并放置在中心的第一圆贴片(11)，底层铟锡氧化物结构层(3)贴附于介质板层(2)下表面。
进一步的，所述基本单元0-3的周期长度均为P为9.9-10.1mm；介质板层的厚度dglass均为3.9-4.1mm，介质板的介电常数均为7.65-7.85，损耗角正切均为0.0039-0.0041，表层铟锡氧化物厚度df为130-140nm，底层铟锡氧化物厚度db为255-265nm。
进一步的，所述基本单元0-3的圆环贴片的宽度W均为0.15-0.65mm；并且所述基本单元0的第一圆环贴片和第二圆环贴片的宽度W均为0.55-0.65mm；半径R1为 4.8-5mm，半径R2为2.1-2.3mm；所述基本单元1的第三圆环贴片、第四圆环贴片和第五圆环贴片的宽度W均为0.15-0.25mm，半径R1为4.8-5mm，半径R2为3-3.2mm，半径R3为1.2-1.4mm；所述基本单元2的第六圆环贴片和第七圆环贴片的宽度W均为 0.45-0.55mm，半径R1为4.8-5mm，半径R2为3.1-3.3mm；所述基本单元3的第一圆贴片的半径R1为4.8-5mm。并且，所述介质板层(2)上表面的N个半径可变的铟锡氧化物环形贴片的宽度相同或不同。
优选的，所述基本单元0-3的周期长度均为P为10mm；介质板层的厚度dglass均为4mm。所述基本单元0的第一圆环贴片和第二圆环贴片的宽度W均为0.6mm；半径R1 为4.9mm，半径R2为2.2mm；所述基本单元1的第三圆环贴片、第四圆环贴片和第五圆环贴片的宽度W均为0.2mm，半径R1为4.9mm，半径R2为3.1mm，半径R3为1.3mm；所述基本单元2的第六圆环贴片和第七圆环贴片的宽度W均为0.5mm，半径R1为4.9mm，半径R2为3.2mm；所述基本单元3的第一圆贴片的半径R1为4.9mm。
本发明还公开了一种由基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元组成的超材料，所述超材料由M个所述基本单元排列而成，并且所述M个基本单元的种类为任意类型。所述排列方式可以是矩阵式排列，也可以单排排列，M≥3。
根据上述举例的0-3个基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元，所述超材料的基本单元共有4种基本单元状态；通过选择不同的单元，得到对于每一个基本单元在垂直入射的电磁波的照射下产生的1种数字态响应，4个单元就是4种数字态响应，4 种数字态响应得到4个不同反射幅度的数字态编码，4个不同反射幅度的数字态编码对应4种基本单元的不同结构；通过基本单元不同的结构，实现对反射幅度的调制；通过排列不同的编码序列，实现了对反射光幅度的灵活控制。
进一步的，4个数字态编码分别为“0”、“1”、“2”、“3”，其分别表示垂直入射电磁波下的归一化反射幅度为0.149、0.406、0.553和0.932。并且，所述4个数字态编码“0”、“1”、“2”、“3”对应4种数字态响应，所述4种数字态响应分别对应的四种归一化反射幅度为0.149、0.406、0.553和0.932，4种基本单元的工作状态中，“0”对应的是归一化反射幅度为0.149，近乎是全吸收状态，“1”对应的是归一化反射幅度为0.406，“2”对应的是归一化反射幅度为0.553，“3”对应的是归一化反射幅度为0.932，近乎是全反射状态。
进一步的，用于幅度调控的单元数量不仅仅局限于4种，采用多种不同数量(如3种，5种或6种以及多种)的单元以本发明所述方式排列也能获得同样的效果，并且组成超材料的单元个数可以根据实际需要进行设置，比如大于等于3个。
进一步的，所述圆环贴片不仅仅局限于圆环状或圆形结构，具有方形或多边形形式的环形同样可以获得同样的效果。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
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.本发明通过选择不同的单元来控制超材料单元的反射幅度特性，通过不同的编码序列，使得所设计的电磁超材料具有可编程的功能；
3.本发明具有一定的宽带特性，超材料的基本单元在宽频带内均能实现功能；
4.本发明加工简单，便于实现，仅依靠简单的铟锡氧化物图样，在微波频段内易于制备加工。
附图说明
图1，其中单元0：1-表层铟锡氧化物结构层，4-第一圆环贴片，5-第二圆环贴片，2-介质板层，3-底层铟锡氧化物结构层；P为基本单元的周期长度；W为圆环贴片的宽度；R2、R1分别为第一圆环贴片和第二圆环贴片的半径。
图2，其中单元1：1-表层铟锡氧化物结构层，6-第三圆环贴片，7-第四圆环贴片，8-第五圆环贴片，2-介质板层，3-底层铟锡氧化物结构层；P为基本单元的周期长度；W 为圆环贴片的宽度；R3、R2、R1分别为第三圆环贴片、第四圆环贴片和第五圆环贴片的半径。
图3，其中单元2：1-表层铟锡氧化物结构层，9-第六圆环贴片，10-第七圆环贴片，2-介质板层，3-底层铟锡氧化物结构层；P为基本单元的周期长度；W为圆环贴片的宽度；R2、R1分别为第六圆环贴片、第七圆环贴片的半径。
图4，其中单元3：1-表层铟锡氧化物结构层，11-第一圆贴片，2-介质板层，3-底层铟锡氧化物结构层；P为基本单元的周期长度；R1为圆贴片半径。
图5是基于铟锡氧化物的二比特调幅编码反射式基本单元的结构图，dglass为介质板层的厚度，df表层铟锡氧化物厚度，db底层铟锡氧化物厚度。
图6是8GHz下电磁波垂直入射进对称和非对称序列“302010010203”和“302010302010”的2比特编码超表面的远场模式，图6(a)是电磁波垂直入射进对称序列“302010010203”下的超表面的远场模式，图6(b)是电磁波垂直入射进非对称序列“302010302010”下的超表面的远场模式。
图7是四种不同编码序列编码的2比特超表面在8GHz电磁场垂直入射下的二维远场分布。
图8是调幅数字超表面两种不同编码序列在8.3GHz下进行调幅的仿真与实验结果对比。(a)编码序列为“302010”的模式。(b)编码序列为“031323”的图案。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元0，基本单元包括：自上而下依次设置的表层铟锡氧化物结构层1、介质板层2、底层铟锡氧化物结构层3；所述表层铟锡氧化物结构层1包括贴附于介质板层2上表面并放置在中心的第一圆环贴片4、第二圆环贴片5。
如图2所示，基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元1，基本单元包括：自上而下依次设置的表层铟锡氧化物结构层1、介质板层2、底层铟锡氧化物结构层3；所述表层铟锡氧化物结构层1包括贴附于介质板层2上表面并放置在中心的第三圆环贴片6、第四圆环贴片7、第五圆环贴片8。
如图3所示，基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元2，基本单元包括：自上而下依次设置的表层铟锡氧化物结构层1、介质板层2、底层铟锡氧化物结构层3；所述表层铟锡氧化物结构层1包括贴附于介质板层2上表面并放置在中心的第六圆环贴片9、第七圆环贴片10。
如图4所示，基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元3，基本单元包括：自上而下依次设置的表层铟锡氧化物结构层1、介质板层2、底层铟锡氧化物结构层3；所述表层铟锡氧化物结构层1包括贴附于介质板层2上表面并放置在中心的第一圆贴片11。
进一步的，所述基本单元0-3的周期长度P均为9.9-10.1mm；介质板层的厚度dglass均为3.9-4.1mm，介质板的介电常数均为7.65-7.85，损耗角正切均为0.0039-0.0041，表层铟锡氧化物厚度df为130-140nm，底层铟锡氧化物厚度db为255-265nm；所述基本单元0的第一圆环贴片4和第二圆环贴片5的宽度W均为0.55-0.65mm，半径R1为 4.8-5mm，半径R2为2.1-2.3mm；所述基本单元1的第三圆环贴片6、第四圆环贴片7 和第五圆环贴片8的宽度W均为0.15-0.25mm，半径R1为4.8-5mm，半径R2为3-3.2mm，半径R3为1.2-1.4mm；所述基本单元2的第六圆环贴片9和第七圆环贴片10的宽度W 均为0.45-0.55mm，半径R1为4.8-5mm，半径R2为3.1-3.3mm；所述基本单元3的第一圆贴片11的半径R1为4.8-5mm。
作为一个优选方案，所述基本单元0-3的周期长度均为P为10mm；介质板层的厚度dglass均为4mm；所述基本单元0的第一圆环贴片4和第二圆环贴片5的宽度W均为 0.6mm；半径R1为4.9mm，半径R2为2.2mm；所述基本单元1的第三圆环贴片6、第四圆环贴片7和第五圆环贴片8的宽度W均为0.2mm，半径R1为4.9mm，半径R2为3.1mm，半径R3为1.3mm；所述基本单元2的第六圆环贴片9和第七圆环贴片10的宽度W均为 0.5mm，半径R1为4.9mm，半径R2为3.2mm；所述基本单元3的第一圆贴片11的半径 R1为4.9mm。
本发明还公开了一种由基于铟锡氧化物的调幅编码反射式基本单元组成的超材料，所述超材料由M个所述基本单元排列而成，并且所述M个基本单元的种类为任意类型。所述排列方式可以是矩阵式排列，也可以单排排列。
所述超材料的基本单元共有4种基本单元状态；通过选择不同的单元，得到对于每一个基本单元在垂直入射的电磁波的照射下产生的1种数字态响应，4个单元就是4种数字态响应，4种数字态响应得到4个不同反射幅度的数字态编码，4个不同反射幅度的数字态编码对应4种基本单元的不同结构；通过基本单元不同的结构，实现对反射幅度的调制，通过排列不同的编码序列，实现了对反射光幅度的灵活控制。
具体地讲，所述4个数字态编码“0”、“1”、“2”、“3”对应4种数字态响应，所述 4种数字态响应分别对应的四种归一化反射幅度为0.149、0.406、0.553和0.932。4 种基本单元的工作状态中，“0”对应的是归一化反射幅度为0.149，近乎是全吸收状态，“1”对应的是归一化反射幅度为0.406，“2”对应的是归一化反射幅度为0.553，“3”对应的是归一化反射幅度为0.932，近乎是全反射状态。
在本发明中，以不同结构的四种电磁超材料单元作为四种数字编码态“0”、“1”、“2”、“3”单元，对应4种反射状态，通过设计不同的编码矩阵，以实现对于垂直入射的电磁波进行反射幅度的调控。
如图6所示，图6(a)是8GHz垂直入射下对称序列“302010010203”编码超表面的远场图，图6(b)是8GHz垂直入射下非对称序列“302010302010”编码超表面的远场图。图6(a)、(b)近乎是相同的，因此无论编码序列是否对称，远场模式对于理想的平面波入射几乎是相同的。然而需要注意的是，在实际测试中使用矩形喇叭天线作为发射机，这意味着发射的波近似为平面波，但并不完全等于平面波。这就是边缘的能量低于中心的原因。因此，编码序列被设计成对称阵列，以防止来自不同安装方向的误差。
如图7所示，展示了四种不同编码序列编码的超表面在8GHz垂直入射下的二维远场分布图。在相同的入射情况下，编码超表面的所有散射模式都具有相似的形状和不同的振幅。对于编码序列“000000”，由于整个二维平面上的均匀吸收单元，垂直入射电磁波几乎被完全吸收。相反，编码序列“333333”，垂直入射电磁波几乎被反射了。编码序列“031323”和“302010”对电磁波存在不同程度的吸收，因为前者有更多的反射单元，而后者有更多的吸收单元。
其中，编码为“333333”和“000000”的超表面之间的反射波幅度差异大于10dB。“333333”、“031323”、“302010”和“000000”四个编码序列的仿真反射波振幅分别为 -0.3dB、-1.7dB、-10.14dB和-10.93dB。
如图8所示，图8(a)展示了在8.3GHz下电磁波垂直入射到编码为“302010”的阵列的反射幅度仿真和测量结果，图8(b)展示了在8.3GHz下电磁波垂直入射到编码为“031323”的阵列的反射幅度仿真和测量结果。正如所预期的那样，超表面可以有效地控制反射电磁波的振幅，仿真结果与实验结果具有很好的一致性。“302010”和“031323”两个编码序列的实测反射振幅分别为-9.28dB和-2.46dB。
需要说明的是，用于幅度调控的单元数量不仅仅局限于上述4种，通过调节环形贴片的个数以及半径大小，宽度大小以及调节圆形贴片的半径形成多种单元结构，采用多种不同数量(如5种或6种以及多种)的单元以本发明所述方式排列也能获得同样的效果。并且所述圆环贴片不仅仅局限于圆环状或圆形结构，具有方形或多边形形式的环形同样可以获得同样的效果。不同单元之间的不同体现在以下方面：环形贴片的个数不同，如果节环形贴片的个数相同，则调整节环形贴片的半径和/或宽度使得构成不同的单元。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (10)
1.一种基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元，其特征在于，该基本单元包括表层铟锡氧化物结构层(1)、介质板层(2)、底层铟锡氧化物结构层(3)，所述表层铟锡氧化物结构层(1)贴附于介质板层(2)上表面，底层铟锡氧化物结构层(3)贴附于介质板层(2)下表面，其中，所述表层铟锡氧化物结构层(1)包括一个铟锡氧化物圆形贴片，或者包括N个铟锡氧化物环形贴片，并且N≥2。
2.根据权利要求1所述的一种基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元，其特征在于，所述环形贴片为圆环形贴片、方形环贴片、多边形环贴片的任一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元，其特征在于，所述N个铟锡氧化物环形贴片嵌套不重叠的贴附于介质板层(2)上表面。
4.根据权利要求3所述的一种基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元，其特征在于，在所述介质板层(2)上表面嵌套不重叠的N个铟锡氧化物环形贴片的半径和/或宽度相同或不同。
5.根据权利要求3所述的一种基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元，其特征在于，在所述介质板层(2)上表面嵌套不重叠的N个铟锡氧化物环形贴片的中心重叠或不重叠。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元，其特征在于，所述铟锡氧化物圆形贴片半径可变和/或所述N个铟锡氧化物环形贴片半径可变。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元，其特征在于，具有相同铟锡氧化物环形贴片个数的不同反射式基本单元之间铟锡氧化物环形贴片的宽度和/或半径不完全不同。
8.根据权利要求1所述的一种基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元，其特征在于，所述介质板层(2)的边长为基本单元的周期长度P。
9.一种根据权利要求1-8任一所述的基于铟锡氧化物薄膜的调幅编码反射式基本单元组成的超材料，其特征在于，所述超材料由M个所述基本单元排列而成，并且所述M个基本单元的种类为任意类型。
10.一种基于权利要求9所述的超材料的应用方法，其特征在于，使用所述超材料表面对入射光或电磁波进行反射幅度的调控。
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