CN111934099A - 高精度扫描的太赫兹超表面以及编码方法 - Google Patents

高精度扫描的太赫兹超表面以及编码方法 Download PDF

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王禄炀
尹婧
杨梓强
史宗君
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Abstract

高精度扫描的太赫兹超表面以及编码方法，涉及超材料以及电磁功能器件领域。本发明的编码方法包括下述步骤：1)根据广义斯奈尔定律确定单元间距Nx的值，并由预设的编码bit位数确定
Figure DDA0002552510760000011
2)基于下式确定第i个单元的编码code(i)，以及一个周期内的单元数量M：
Figure DDA0002552510760000012
方括号“[]”表示取方括号内数值的整数部分，花括号“{}”表示取花括号内数值的小数部分；i从1按步长1递增，直至编码序列第i位为“11”且i正好能被Nx整除，此时i的取值即为M，并完成了一个编码周期的计算。

Description

高精度扫描的太赫兹超表面以及编码方法
技术领域
本发明涉及超材料以及电磁功能器件领域。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)波是一种亟待开发的新型电磁波谱，通常指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波。该频率范围界于毫米波与红外、光之间，是电子学和光子学的交叉领域也是宏观经典理论和微观量子学的交叉领域，因此具有许多独特的电磁特性使其在物理学、化学、电子信息、生物医疗、航空航天、天文学、大气与环境监测、国防与反恐、通信与雷达等领域具有极其重要的潜在利用价值。
电磁波的波束偏转控制在成像、通信、雷达探测以及各种辐射器件和电磁隐身技术等方面具有广泛的应用。超表面是一种新型亚波长周期性人工微结构材料，具有可设计性和可调性的特点，可以通过对结构的设计来实现不同的状态特性，来调控它对电磁波的幅相响应和频谱范围。这种利用超表面结构实现对电磁波束偏转控制的方法突破了传统材料在性能、成本、集成化等方面的限制，对于现代无线通信系统具有重要研究意义。
目前国内外研究的波束偏转超表面一般根据广义斯奈尔定律，对入射电磁波的微结构单元进行独立设计，产生局域的电磁耦合共振，入射的电磁波通过设计的超表面阵列后，在某一方向上的相位响应形成均匀的离散相移梯度，从而使透射波或反射波的角度对于入射波发生了改变。这种利用均匀相位梯度的波束偏转超表面可实现单波束调控，也可以实现双波束或者多波束调控，通过缩小单元结构尺寸或者精细离散相移梯度的方式实现高精度的波束偏转调控。但是无论静态单元还是动态可调式单元，结构尺寸和相移梯度大小在结构设计完成后就无法变更，按照均匀单元间距排列相移编码单元的方式，无法实现对电磁波束的高精度灵活地任意调控。
编码超表面是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构，可通过人为地设计谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性，为了用于外部逻辑系统的控制，将具有线性梯度的相移单元用二进制码表示，相位响应为0°和180°的两种相移单元用1-bit编码“0”和“1”表示，相位响应为0°、90°、180°和270°的四种相移单元分别用2-bit编码“00”、“01”、“10”和“11”表示，同样地具有更精细离散相移梯度的单元可以用多比特编码可以表示。均匀编码序列是按照均匀单元间距排列的相移编码单元，如1-bit编码序列“0 1 0 1”和“0 0 1 1”以及2-bit编码序列“00 01 10 11”和“00 00 01 01 10 10 11 11”。编码超表面目前包含频率选择表面结构(FSS)、人工超材料(metamaterial)等。随着近代微细加工技术的发展，编码超表面在动态调制器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易加工、高精度、高偏转效率的反射式波束偏转控制编码超表面。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，高精度扫描的太赫兹编码超表面编码方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)根据广义斯奈尔定律确定单元间距Nx的值，并由预设的编码bit位数确定
Figure BDA0002552510740000022
2)基于下式确定第i个单元的编码code(i)，以及一个周期内的单元数量M：
Figure BDA0002552510740000021
方括号“[]”表示取方括号内数值的整数部分，花括号“{}”表示取花括号内数值的小数部分；
i从1按步长1递增，直至编码序列第i位为“11”且i正好能被Nx整除，此时i的取值即为M，并完成了一个编码周期的计算。
本发明还提供一种高精度扫描的太赫兹编码超表面，包括设置于基板上的周期性排布的相移单元，其特征在于，每一个周期内，相移单元的编码和相移单元的数量M遵循下述公式：
第i个单元的编码code(i)：
Figure BDA0002552510740000031
方括号“[]”表示取方括号内数值的整数部分，花括号“{}”表示取花括号内数值的小数部分；
i从1按步长1递增，直至编码序列第i位为“11”且i正好能被Nx整除，此时i的取值即为M。
本发明的有益效果是：
(1)本发明控制的波束偏转角度区域更广，使得波束偏转控制精度显著提高。
(2)本发明的编码方式适用于所有比特位数的编码超表面。
(3)本发明所设计的反射式结构，通过不同相移单元产生的线性相移梯度能实现360°相移范围覆盖，能有效提高偏转效率。
(4本发明中采用编码超表面，通过单层阵列实现对太赫兹波的相移调控，并且该结构简单可通过微细加工手段实现，工艺成熟，易于制作。
附图说明
图1为波束偏转控制超表面的相移单元示意图。
图2为四种相移单元及对应的二进制编码。
图3为本发明的波束偏转控制超表面阵列示意图。
图4为波束偏转角度与单元间距排列关系曲线图。
图5为模拟实体单元分割重组生成编码序列过程图。
图6为1-bit编码和3-bit编码序列举例说明图。
图7为四种相移单元的幅值与相位特性图。
图8为在0.4THz频率按不同单元间距排列的编码超表面远场波束偏转角度计算结果示意图。
具体实施方式
高精度扫描的太赫兹编码超表面编码方法，包括下述步骤：
1)根据广义斯奈尔定律确定单元间距Nx的值，并由预设的编码bit位数确定
Figure BDA0002552510740000032
2)基于下式确定第i个单元的编码code(i)，以及一个周期内的单元数量M：
Figure BDA0002552510740000041
方括号“[]”表示取方括号内数值的整数部分，花括号“{}”表示取花括号内数值的小数部分；
i从1按步长1递增，直至编码序列第i位为“11”且i正好能被Nx整除，此时i的取值即为M，并完成了一个编码周期的计算。
由上述步骤确定了各个单元的编码，即可按照单元尺寸——编码映射表确定单元的尺寸等结构参数，根据编码确定具体结构属于现有技术，不再赘述。
本发明的太赫兹超表面包括金属底板、位于金属底板上的介质基板、位于介质基板上的相移单元，具有一维相移梯度，即沿x方向按编码序列周期性排列相移单元，沿y方向排列相同的相移单元，反之亦然；
超表面相移单元的金属结构相同但尺寸由相位响应确定，其相位响应具有90°线性梯度，反射幅值接近无损。
整个反射阵列在x方向上排列的单元个数大于一个编码周期的编码个数，y方向上排列的单元个数与x方向保持相同形成正方形阵列。
本发明将相位响应具有90°线性梯度的相移单元采用2-bit编码，根据非均匀编码算法生成控制波束偏转的编码序列，将编码单元按照非均匀编码序列在二维平面周期性地排列，实现电磁波束偏转的高精度控制。
本发明解决所述技术问题采用的设计方案为，设计出在特定频段上对太赫兹波具有线性相位响应梯度的人工超表面相移单元，将实体相移单元模拟沿相移梯度方向均匀分割，使一个实体单元内模拟具有两个相邻不同编码状态的子单元，通过近似法重组子单元的方式形成非均匀编码序列，最终将相移编码单元在二维平面按照非均匀编码序列周期性排列实现对电磁波高精度的偏转控制。
因而本发明提供了一种太赫兹反射式高精度波束偏转调控超表面，包括：金属底板、位于金属底板上的介质基板、位于介质基板上的反射相移阵列，其特征在于介质基板为半导体材料；基板上为金属涂层；该金属涂层包括四种反射式相移单元，将相移单元采用2-bit编码表示其不同的相位响应，并且按照非均匀的编码序列周期性排列，从而实现电磁波束偏转的高精度控制。
所述基板为聚亚酰胺、蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs或碳化硅。
所述金属贴片为Au、Ag、Cu或Al。
所述编码超表面波束偏转反射阵列为多个单元构成的N*N的阵列，其中N>P，P为一个编码周期序列所包含的全部编码个数。
更具体的实施方式如下：
所述反射式相移单元的结构如图1所示，其结构包括金属底板1，材料为金属铝、银、金等良导体；半导体基板2，材料为聚亚酰胺，其中金属底板1上设置半导体基板2；金属方块3和金属方环4，其中金属方块3嵌套与金属方环4中并均设置于半导体基板2上。四种相移单元以及对应的四种编码如图2所示，四种相移单元的边长d和半导体基底厚度h均分别为200μm和75μm，表面均采用相同的金属图形结构，即金属方块嵌套于金属方环中，其中金属方环与金属方块之间有一条均匀间隙，四种相移单元金属方环的线宽w和间隙宽度g均为12.5μm，并且包括金属底板和表面金属结构在内的所有金属层厚度均为0.2μm。四种相移单元的区别在于表面金属图形结构的尺寸不同，电场极化方向沿单元边长方向的0.4THz电磁波垂直于单元表面金属结构入射时，金属方块尺寸a为10μm、57μm、81μm和119μm的相移单元对应的相位响应分别为0°、90°、180°和270°，如图2所示对应的2-bit编码分别为“00”、“01”、“10”和“11”。
整体阵列排列设计方案示意图如图3，其中包括沿x方向将编码单元根据编码序列“00 01 01 10 11”排列而成单元周期，单元周期沿x和y方向按周期重复排列，最终排列成由N*N个单元构成方阵，其中要求N>P，P是一个编码周期序列所包含的全部编码个数。
图4根据广义斯奈尔定律绘制了随单元间距Nx变化而变化的波束偏转方向曲线图，通过控制单元间距本质上是控制了阵列表面的相位梯度，从而实现对波束辐射方向的控制。
Figure BDA0002552510740000051
上式为广义斯奈尔定律，对于所述的超表面阵列，其中单元边长dx＝200μm，工作频率f＝0.4THz，2-bit编码对应
Figure BDA0002552510740000052
对主瓣波束辐射方向进行控制时取p＝0。值得强调的是，1-bit编码是将360°相位离散为0°和180°，因此取
Figure BDA0002552510740000063
2-bit编码是将360°相位离散为0°、90°、180°和270°，因此取
Figure BDA0002552510740000064
同理对于n-bit编码，
Figure BDA0002552510740000065
的取值应为360°/2n。
所述的编码序列是通过调整单元间距Nx来实现编码的排列方式，单元间距Nx＝1时编码序列为“00 01 10 11”，单元间距Nx＝2时编码序列为“00 00 01 01 1010 11 11”，这种将所有相移单元按相同间距排列的方式是传统(Nx为整数)编码方式，这样的编码方式控制波束偏转的范围有限并且造成了大范围的盲区，如图4所示，编码序列是将实体单元模拟均匀分割成n份，实现Nx在区间(1,2)内的取值从而填补波束偏转控制的盲区。并且当期望波束朝某一方向偏转时，可根据广义斯奈尔定律确定对应Nx的取值，从而实现精准的波束辐射控制。由于实际应用中的外部逻辑控制器是对整个实体单元进行逻辑控制，因此需要将模拟分割后的单元进行重组。如图5所示，用标有二进制编码的方块表示相移单元，说明了Nx＝1和Nx＝2的传统排列方式，并以Nx＝1.25为例说明了所述的单元分割重组过程。当Nx＝1.25时表示不同编码状态的间距为1.25dx，首先按照1.25dx的长度排列一个完整的编码周期，按照实体单元边长dx的长度分割间距为1.25dx的方块，分割后的第二个实体单元中包含1/4个“00”和3/4个“01”，其中“01”占比大于“00”，因此通过近似法重组后的实体单元编码为“01”；第三个实体单元中包含了“01”和“10”两个编码状态并且各占一半，最终重组后的实体单元编码可为“01”或“10”；第四个实体单元包含3/4个“10”和1/4个“11”，重组后的实体单元编码为“10”。根据所述的单元分割重组编码方案，第i个单元的编码可用公式计算(
Figure BDA0002552510740000061
为所述相移单元的90°线性梯度)：
Figure BDA0002552510740000062
其中方括号“[]”表示取方括号内数值的整数部分(如[1.9]＝1)，花括号“{}”表示取花括号内数值的小数部分(如{1.9}＝0.9)。Code(i)的计算结果为十进制：0、1、2、3，分别对应二进制编码：00、01、10、11。当编码序列第i位为“11”且i正好能被Nx整除时即完成了一个编码周期的计算，下一周期将重复上一周期的计算结果。如Nx＝1.25时，根据上式的计算结果为：Code(1)＝00、Code(2)＝01、Code(3)＝01、Code(4)＝10和Code(5)＝11，由于Code(5)＝11且5可以被1.25整除，因此该编码周期序列为：“00 01 01 10 11”。
通过上式计算出一组编码序列如下表所示：
Figure BDA0002552510740000071
该编码方法不局限于2-bit编码，适用于任意比特位数的二进制编码，如图6所示，以Nx＝1.25为例说明了1-bit编码和3-bit编码情况下的编码序列的编码过程。当Nx＝1.25时表示不同编码状态的间距为1.25dx，首先按照1.25dx的长度排列一个完整的编码周期，按照实体单元边长dx的长度分割间距为1.25dx的方块。对于1-bit编码，分割后的第二个实体单元中包含1/4个“0”和3/4个“1”，其中“1”占比大于“0”，因此通过近似法重组后的实体单元编码为“1”；第三个实体单元中包含了“0”和“1”两个编码状态并且各占一半，最终重组后的实体单元编码可为“0”或“1”；第四个实体单元包含3/4个“0”和1/4个“1”，重组后的实体单元编码为“0”。因此可得到最终编码周期序列：“0 1 0 0 1”。对于3-bit编码，分割后的第二个实体单元中包含1/4个“000”和3/4个“001”，其中“001”占比大于“000”，因此通过近似法重组后的实体单元编码为“001”；第三个实体单元中包含了“001”和“010”两个编码状态并且各占一半，最终重组后的实体单元编码可为“001”或“010”；第四个实体单元包含3/4个“010”和1/4个“011”，重组后的实体单元编码为“010”；第七个实体单元中包含1/4个“100”和3/4个“101”，其中“101”占比大于“100”，因此通过近似法重组后的实体单元编码为“101”；第八个实体单元中包含了“101”和“110”两个编码状态并且各占一半，最终重组后的实体单元编码可为“101”或“110”；第九个实体单元包含3/4个“110”和1/4个“111”，重组后的实体单元编码为“110”。因此可得到最终编码周期序列：“000 001 001 010 011 100 101101 110 111”。
上述人工超表面相移单元及其组成的阵列经远三维电磁模拟仿真软件证明了其可行性。相移单元结果如图7所示，四种相移单元在0.4THz附近的相移梯度约等于90°，并且反射幅值接近无损，反射效率大于95％。图8表示的是频率0.4THz时单元间距在不同取值下的远场波束偏转角度，结合上述编码序列和远场波束结果，可见实体单元分割得越细，所实现的波束偏转精度越高，与此同时编码周期序列也越长，为了保证阵列长度至少容纳下一个编码周期，单元间距分割的最小精度大于0.05，并且在大角度区域波束偏转角度与单元间距的关系敏感，单元间距取值从1改变至1.2时波束角度差为19°；在小角度区域波束偏转角度与单元间距关系不敏感，单元间距从2改变至2.2时，波束角度差仅为3°。单元间距取值为1和2时所生成的均匀编码序列分别控制波束偏转至70°和28°，通过单元间距在区间(1,2)内取值所生成的编码填充了现有技术编码序列所造成的42°的控制盲区，角度控制精度最高可达到2°。因此所述超表面通过本发明的编码方式即可实现高精度的波束偏转控制。

Claims (2)

1.高精度扫描的太赫兹超表面编码方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)根据广义斯奈尔定律确定单元间距Nx的值，并由预设的编码bit位数确定
Figure FDA0002552510730000011
2)基于下式确定第i个单元的编码code(i)，以及一个周期内的单元数量M：
Figure FDA0002552510730000012
方括号“[]”表示取方括号内数值的整数部分，花括号“{}”表示取花括号内数值的小数部分；
i从1按步长1递增，直至编码序列第i位为“11”且i正好能被Nx整除，此时i的取值即为M，并完成了一个编码周期的计算。
2.高精度扫描的太赫兹超表面，包括设置于基板上的周期性排布的相移单元，其特征在于，每一个周期内，相移单元的编码和相移单元的数量M遵循下述公式：
第i个单元的编码code(i)：
Figure FDA0002552510730000013
方括号“[]”表示取方括号内数值的整数部分，花括号“{}”表示取花括号内数值的小数部分；
i从1按步长1递增，直至编码序列第i位为“11”且i正好能被Nx整除，此时i的取值即为M。
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