CN111682319A - 一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法 - Google Patents

一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属‑石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法。如摘要附图所示，单元晶胞表层是十字形的金属铜贴片，下面依次为石墨烯、氧化铝、硅、聚酰亚胺和金属铜。本发明将M×M个状态相同的单元晶胞组成数字状态一致的超级单元晶胞。最终的编码超表面由N×N个超级单元晶胞组成，并且由FPGA为石墨烯提供了足以改变石墨烯费米能级的偏置电压实现对相位的调控。本发明具有普通金属编码超表面不具备的实时可调功能和宽频带特性。本发明实现了编码超表面材料固定，仅通过改变石墨烯费米能级就可以实现1bit编码超表面实时调控反射波的数量和角度，2bit和3bit编码超表面对单束反射波角度的实时调控和任意反射波方向偏转的功能。

Description

一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计 方法
技术领域：
本发明涉及新型可调谐石墨烯编码超表面的设计方法，属于人工电磁超材料领域，涉及一种相位可调的编码超表面，在实际应用中具有实时调节反射波角度和反射波工作频段的功能。
背景技术：
编码超表面的核心思想在于设计出多种不同的编码单元以实现反射相位差呈现出180° (即1位编码)、90°(即2位编码)或45°(即3位编码)的情况。同时，通过优化超表面的编码排布，可以有效地控制电磁波呈现出需要的状态。编码超表面对微波及太赫兹波的控制可用于制作波束分离、聚焦、波束偏折、极化转换等功能器件，也可在宽带范围内有效缩减目标RCS。但是，这些设计无法动态更改，因为一旦设备制造完成，其结构和相应的相位响应无论如何都是静态的。
石墨烯是零带隙半金属材料，具有电可调的特性，通过改变外部电压就可以实现改变石墨烯的费米能级。在编码超表面的研究中，大多数的超表面都是通过改变编码单元表层金属贴片的尺寸或方向来实现相位的调控。但编码单元一旦固定以后很难再次调节，而石墨烯却可以通过施加外部电压或磁场的方法再次调节，为实现实时可调提供了一种新方法。
发明内容：
发明目的：本发明提出一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐多位编码超表面的设计方法，该超表面单元的表层是金属-石墨烯贴片，通过改变表层石墨烯的费米能级从而实时改变反射波的波数和反射波的角度。
技术方案：一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐多位编码超表面的设计方法，结合了金属与石墨烯的优点，单元晶胞表层是十字形的金属铜贴片且长度为L＝4μm，金属下面依次为半径R＝5μm的石墨烯、氧化铝、硅、聚酰亚胺和金属铜。很薄的氧化铝和硅用来增加相位曲线的非线性并实现施加不同的偏置电压改变费米能级的功能。厚度为0.2μm的金属铜作为单元结构的最底层很好的阻止了入射波透射传输带来的损耗。单元晶胞的周期P保持为为12μm，聚酰亚胺的厚度H任为20μm。同时，值得一提的是拥有不同的费米能级的单元晶胞其反射相位需要进行归一化以避免编码时带来歧义。在单元的定义时，根据不同的数字状态将单元定义为不同的编码单元。例如，3bit编码需要8个不同的单元晶胞，因此将这些单元晶胞根据反射相位依次定义为“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”和“7”。在仿真中，为了减小单元晶胞间耦合造成的不必要偏差并且模拟无限大的周期性边界条件，将M×M个状态相同的单元晶胞组成超级单元晶胞。超级单元晶胞的数字状态与单元晶胞一致，仍为“0”、“1”……。最终的编码超表面由N×N个超级单元晶胞组成，并且由FPGA为石墨烯提供了足以改变石墨烯费米能级的偏置电压Vg。在实际的实验中，使用离子凝胶覆盖超级单元晶胞的表面，并使用Pt线作为栅电极。当施加偏置电压Vg时，在离子凝胶/石墨烯界面处形成具有极高电容的双电层(EDL)，这将导致石墨烯的费米能级发生显着变化。位置 {x，y}由诸如FPGA的可编程设备转换为状态矩阵，状态矩阵可以再次转换为电压矩阵Vg。电磁仿真中采用软件CST Microwave Studio(CST)执行，使用周期性边界条件的同时， Floquet端口被分配到Z方向，利用x偏振波入射研究中的表面。最终，1bit编码超表面可以实时调控反射波的数量和角度，2bit和3bit编码超表面可以实现对单束反射波角度的实时调控以及实现任意反射波方向的偏转。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.实时可调：不像一般的编码超表面，表层的金属图案固定以后就不能再改变其数字状态，本发明可以通过改变石墨烯费米能级实时切换单元的数字状态，从而实现编码模式的实时切换最终实现编码超表面的多功能。
2.操作简单：只需改变输入FPGA中的位置矩阵，便可以直接实时改变编码超表面种单元的数字状态。
3.多功能：不仅可以实现反射波在宽频段内工作，还可以实现单束偏折波的角度任意方向的偏折。
附图说明：
图1(a)单元结构俯视图。(b)单元结构的示意图。(c)费米能级与单元反射相位响应的关系。
图2(a)单元之间的相位曲线以及相位差。(b)不同单元的具体参数。(c)在6.2THz时编码模式X1下的反射波。(d)在6.2THz时编码模式X1下的反射波。
图3(a)X′1编码模式下2bit编码超表面的偏折波。(b)X′2编码模式下2bit编码超表面的偏折波。(c)X″2编编码模式下3bit编码超表面的偏折波。
图4(a)X′1+Y′2：
Figure RE-GDA0002617059110000022
(b)X′2+Y′2：
Figure RE-GDA0002617059110000023
(c)X′1+Y′2的2D图。(d)X′2+Y′2的2D图。
图5(a)X′2将Y2向+x方向偏折示意图。(b)X″2将Y2向+x方向偏折示意图。(c)X′2将Y2偏折的2D示意图。(d)X″2将Y2偏折的2D示意图。
具体实施方法：
下面结合附图，通过具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
1.如图1所示，编码超表面的单元结构，单元表层采用金属和石墨烯。目标位置{x，y} 由诸如FPGA之类的可编程设备转换为状态矩阵。状态矩阵可以再次转换为电压矩阵Vg。在图1(c)中所示，随着费米能级的改变，不同单元之间的可调相位差区间越来越大，可以达到180°的区间也越来越大。当费米能级分别取0.12eV和0.88eV时，最大相位差可以达到326°，这为实现3bit编码提供了可能。同时，在5THz-6.8THz这样的较宽频带之间可以通过使用不同的费米能级实现宽频带1bit甚至更高位数的编码超表面，这成为本发明实现的技术基础。
2.本发明所提出的1bit编码超表面的设计在于，编码超表面需要具有相位差为180°的两个不同的单元，因此可以将石墨烯的费米能级Ef作为变量对单元结构进行优化。经过对比，提出了四组具有较宽频带的可用频段，为了进一步优化这个结构需要对单元构成的编码超表面进行全波模拟。在这里，为了减小单元晶胞间耦合造成的不必要偏差并且模拟无限大的周期性边界条件设置M＝8，N＝8。超级单元晶胞的数字状态与单元晶胞一致，仍为“0”、“1”。电磁仿真中使用周期性边界条件的同时，入射波从+Z方向入射，利用x偏振波入射表面。根据仿真结果将整体仿真和单元仿真相结合，对可用频段进行调整最终提出了如下表所示的在1bit编码时多工作频段：
Figure RE-GDA0002617059110000021
其中针对第四组数据进行分析，“0”数字状态的单元具有费米能级为0.56eV，“1”数字状态的单元具有费米能级为0.75eV。具体结构如图2(b)所示，石墨烯圆盘的颜色代表了不同的费米能级。红色代表了石墨烯费米能级为0.56eV的“0”单元，蓝色代表了石墨烯费米能级为0.75 eV的“1”单元。单元的相位情况如图2(a)所示，两单元的相位差在6.1THz～6.4THz之间实现 150°～210°。为了分析1bit编码超表面的远场仿真情况，提出了X1和X1Y1编码模式如下：
Figure RE-GDA0002617059110000031
“0”和“1”都是以超级晶胞单元的形式有序排列。8×8的相同数字状态的单元形成一个超级晶胞单元并且数字状态与单元相同。在编码模式中，字母表示排序的方向，下标表示周期数。 X1是沿x方向1个周期，所以编码超表面x方向“01010101”排列反射波束的角计算时，Γx＝2L,Γy＝+∞，X1Y1编码超表面x方向“01010101”排列，y方向也是“01010101”排列，Γx＝2L,Γy＝2L。所以1个周期数代表的长度就是“0”和“1”这两个超级单元的长度和2L,L＝M×P。
在实际应用中，本发明所提出的1bit编码超表面可以通过改变入射波的频率获得不同波数和角度的反射波。远场仿真的结果如图2(c)和(d)所示，图中蓝色的深浅表示了单元的不同数字状态，其中浅色的表示数字状态“0”，深色的表示数字状态“1”。采用X1编码模式的时候反射波呈现对称的两束。当采用X1Y1编码模式的时候反射波呈现对称的四束，且θ随着频率的增加而逐渐向主反射方向靠拢，如图2(d)所示。在6.2THz时，X1编码模式的角度为
Figure RE-GDA0002617059110000032
和
Figure RE-GDA0002617059110000033
如图2(c)所示。此时的反射波呈现对称的两束的状态，并且两束反射波的θ相同。X1Y1编码模式的角度为
Figure RE-GDA0002617059110000034
Figure RE-GDA0002617059110000035
在6.45THz时，X1编码模式的角度为
Figure RE-GDA0002617059110000036
和
Figure RE-GDA0002617059110000037
Figure RE-GDA0002617059110000038
与6.2THz时相同。X1Y1编码模式的角度为
Figure RE-GDA0002617059110000039
Figure RE-GDA00026170591100000310
与6.2THz 时相同。
3.为了在角度调控方向上寻求更高的自由度，本发明所提出的2bit编码超表面和3bit 编码超表面。在优化和分析后提出了八个费米能级的单元，如下表所示。在表中根据反射波的相位从大到小依次排列，不同费米能级单元的相位进行归一化处理。
Figure RE-GDA00026170591100000311
在2bit和3bit编码的过程中，设置M＝4,N＝8并且将M×M个单元晶胞组成的超级单元，用超级单元晶胞进行有序排列。2bit时选用单元晶胞的编号为的“0”,“2”,“4”,“6”或者“1”, “3”,“5”,“7”以保证单元之间的相位差为90°。此时按照X′m，Y′n的编码模式进行远场仿真。为了区别1bit，在1bit编码模式的基础上将2bit编码模式的右上角加上符号进行标记。字母仍然表示编码方向，右下角表示周期数，正负号表示单元阵排列顺序。例如“02460246”这样的顺序就是正号，“64206420”这样的顺序就是负号。X′1、X′2、Y′1和Y′2编码模式具体如下：
Figure RE-GDA0002617059110000041
3bit时选用单元晶胞的编号为的“0”,“1”,“2”,“3”,“4”,“5”,“6”，“7”以保证单元之间的相位差为45°。此时按照X″m，Y″n的编码模式进行远场仿真。为了区别2bit，在2bit编码模式的基础上，3bit编码模式右上角再加上一个符号进行区别。字母仍然表示编码方向，右下角表示周期数，正负号表示单元阵排列顺序。X″1、X″2编码模式具体如下：
Figure RE-GDA0002617059110000042
本发明利用编码的周期性对2bit编码超表面和3bit编码超表面的影响，通过编码实现了单束偏折波θ的实时调制。在本发明中举了三个例子，如图3所示。在图3(a)中，2bit编码超表面沿x方向进行编码并且周期数为1。所以沿x方向的的周期就是L＝4×12×4＝192μm，远场仿真的角度为
Figure RE-GDA0002617059110000043
在图3(b)中，2bit编码超表面沿x方向进行编码并且周期数为2。所以沿x方向的的周期就是2L＝4×12×4×2＝384μm，远场仿真的角度为
Figure RE-GDA0002617059110000044
周期数对角度θ的影响很大，因此通过改变编码模式的周期数可以简单的改变反射波的角度。在图3(c)中，3bit编码超表面沿x方向进行编码并且周期数为2。但此时由于3bit有八个不同的单元，而2bit只有四个单元结构，所以虽然都是2个周期但是在周期数最终大小上有所不同。2L＝8×12×4×2＝768μm，远场仿真X″2的角度为
Figure RE-GDA0002617059110000045
因此，编码的周期性对2bit编码超表面和3bit编码超表面而言是可以随时切换工作角度的很好的选择。
本发明对2bit方向性的拓展以及2bit和3bit对任意反射波的偏折进行具体分析。远场图案和编码模式具有傅里叶关系，编码图案的普通相乘对应这远场图案的卷积。当已经知道两个编码图案时，可以通过两个编码图案的相乘预测出另一个编码图案对应的远场图案。为了进一步研究两束偏折波束的计算，本发明采用了如图4所示的两个例子。将Y′2与X′1进行傅里叶计算，以及将Y′2和X′2进行傅里叶计算，具体计算过程如下所示：
Figure RE-GDA0002617059110000046
Figure RE-GDA0002617059110000051
单束的偏折波X′1和Y′2进行计算，远场反射图如图4(a)所示。X′1的角度是
Figure RE-GDA0002617059110000052
Y′2的角度是
Figure RE-GDA0002617059110000053
远场仿真之后合成的反射波角度为
Figure RE-GDA0002617059110000054
X′2的角度是
Figure RE-GDA0002617059110000055
Y′2的角度是
Figure RE-GDA0002617059110000056
远场仿真之后合成的反射波角度为
Figure RE-GDA0002617059110000057
借助单独反射波束的周期性关系以及远场图案和编码模式的傅里叶关系，可以在yox面里对
Figure RE-GDA0002617059110000058
角度扫描实现360°全方位可至。将单元的周期作为变量并与单束反射波进行卷积，360°范围内的波束调控可以很容易实现。
本发明也对2bit和3bit对任意反射波的偏折进行分析。以单元“3”和单元“7”组成的1bit 两束反射波偏移到+x方向为例。组成的1bit编码模式表为Y2，计算过程如下所示：
Figure RE-GDA0002617059110000059
Figure RE-GDA00026170591100000510
2bit和3bit的编码超表面对1bit时产生的两束反射波的具体偏折情况如图5所示，将X″1与 X′1相比较，结果显示
Figure RE-GDA00026170591100000511
是相同的，但θ明显变小。角度分别为：Y2的角度为
Figure RE-GDA00026170591100000512
和
Figure RE-GDA00026170591100000513
X′2的角度为
Figure RE-GDA00026170591100000514
X″2的角度为
Figure RE-GDA00026170591100000515
将Y2偏折到 X′2的方向实际上还是将反射波束逐一卷积，偏转之后的反射波角度发生变化，变成
Figure RE-GDA00026170591100000516
和
Figure RE-GDA00026170591100000517
具体偏折示意图如图5(a)和(c)所示。将Y2偏折到X″2的方向，偏转之后的反射波角度发生变化，变成
Figure RE-GDA00026170591100000518
和
Figure RE-GDA00026170591100000519
具体偏折示意图如图5(b)和(d)所示。

Claims (6)

1.一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法，该方法结合了金属的较宽频带和石墨烯的电可调性能设计具有实时可调的新型宽带编码超表面。该编码超表面单元十字形的金属铜贴片置于表层，长度为L＝4μm。金属下面依次为半径R＝5μm的石墨烯、氧化铝、硅、聚酰亚胺和金属铜。该编码超表面通过控制表层石墨烯的费米能级实时改变反射波的角度
Figure FDA0002450476660000011
2.根据权利要求1所述的一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法，其特征在于，所述编码超表面单元很薄的氧化铝和硅用来增加相位曲线的非线性并实现施加不同的偏置电压改变费米能级的功能。厚度为0.2μm的金属铜作为单元结构的最底层很好的阻止了入射波透射传输带来的损耗。在这里，单元晶胞的周期P保持为为12μm，聚酰亚胺的厚度H任为20μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法，其特征在于，所述编码超表面由FPGA为石墨烯提供了足以改变石墨烯费米能级的偏置电压Vg。在实际的实验中，使用离子凝胶覆盖超级单元晶胞的表面，并使用Pt线作为栅电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法，其特征在于，所述编码超表面由8×8个超级单元晶胞组成，其中1bit编码超表面每一个超级单元晶胞都是由4×4个数字状态相同的单元晶胞组成的，2bit和3bit编码超表面每一个超级单元晶胞都是由2×2个数字状态相同的单元晶胞组成的。每一个超级单元晶胞的数字状态与组成它的单元晶胞相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法，其特征在于，改变费米能级后可以在由四个连续频段组成的宽频段内实现1bit编码的调控，实时改变两束或四束反射波的角度。
6.根据权利要求1所述的一种基于金属-石墨烯的新型宽带可调谐编码超表面的设计方法，其特征在于，改变费米能级后可以在5.5THz处对2bit和3bit编码进行反射波调控。经过前期两个编码序列的卷积计算以及编码方向上周期性的改变可以在远场中将单束反射波调节到任意方向。
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