CN113346249A - 一种水基夹层超表面可调相干吸波体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水基夹层超表面可调相干吸波体，是一种新型结构，解决了用低成本材料实现相干吸收峰的频率和幅度的实时动态调整及对不同极化状态下入射相干波束的吸收通道规律性的调控。微单元周期排列构成水基夹层超表面可调相干吸波体的整体结构，微单元是两侧蚀刻有双开口分裂谐振环金属图案PCB基板和水中间介质层共同组成的三明治夹层结构，水层和基板长和宽等大。通过调整两侧谐振环的开口相对朝向，实现对不同极化状态下的入射相干波吸收通道的完全重合和分离，在频率滤波和偏振选择透过性具有重要应用价值，改变水温和入射相干波束的相位差可对其吸波特性如吸收频点和吸收率进行实时动态调控，提高了相干吸波体的可调控能力。

Description

一种水基夹层超表面可调相干吸波体

技术领域

本发明属于电磁波技术领域，主要涉及新型人工电磁材料以及电磁波调控，具体是一种水基夹层超表面可调相干吸波体的新型结构，可用于全光开关、主控隐身、电磁调制等方面。

技术背景

相干完美吸波体强大的动态可调控能力使其在全光开关、电磁调制、探测器、传感器、主控隐身等方面有着重要的研究和应用价值。它与熟知的激光器具有时间反演对称关系，相干吸波利用两束相向对称入射的相干光之间的干涉作用能够实现对电磁波能量的完全吸收。2010年，Y.D.Chong最初设计的相干完美吸波体是在简单的硅基板上实现的，通过在其中添加精确的耗散量而在离散频率下实现单色相干光束的完美吸收效果。2013年美国南安普顿大学物理科学与工程学院的Roman Bruck和Otto L.Muskens等人对一种硅波导上的等离子体纳米天线结构作为完美相干吸波体在全光开关和调制器上的应用进行研究。2016年Weiren Zhu和Fajun Xiao等人提出了一种单层渔网结构的全介质完美相干吸波体，通过改变相位差可以实现吸波率从0.38％到99.85％的动态调控。2018年欧阳征标等人提出一种用于红外多波段相干光吸收的超表面，实现了同时多频段下的相干波吸收。2019年王然等人提出一种完美吸收体的制备方法及完美吸收体，通过合理优化超表面阵列结构参数，使得在所述预设的周期性超表面阵列结构内相邻的结构单元产生振幅相等、相位相反的模式分布，最终在远场获得相干相消效果。2019年X JIND等人基于石墨烯材料提出了单层和多层的频率可调相干完美吸波体，其得益于石墨烯的电导率可以通过外加偏置电路调整费米能级来改变，实现了对相干吸收峰频率的动态可调控。

相干完美吸波体的概念自被提出以来，具备吸收峰强度可调性的相干完美吸波体为传统电磁吸波体的可调谐性研究提供了一种全新的解决思路，即通过调整两束相干光之间的相位差的方式实现对吸收强度动态调控。在研究过程中，本申请的发明人注意到现有的大部分相干吸波体都只能在固定的吸收峰频率下实现对吸收率的可调，缺乏对吸收峰频率的实时调整，亦或是利用石墨烯等材料制造而成的搭载偏置电路的可调相干完美吸波体，但是生产工艺不成熟，制造成本高昂，结构复杂，需要配置专门的控制电路，亦或是采用液体金属棒的机械调控的方式，但是实际操作复杂，精度不高。另一方面，已有相关文献的研究缺乏对相干波束在不同极化状态下的吸收性能进行区分和利用，这限制了相干完美吸波体在频率滤波和偏振选择透过性等方面的应用。

现有的可调的相干完美吸波体或采用电磁参数可调的石墨烯材料或利用机械调控的方法进行吸收峰频率的调控，整体结构复杂，成本高昂，操作繁琐且调控精度不高。现有的相干完美吸波体针对不同极化状态下入射的相干波束的吸收性能缺少区分和利用，即多数相干吸波体对不同极化状态下的入射相干波束的吸收通道是重合的或是无规则的分开。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种兼具控制水温来实时调控相干吸收峰频率和幅度以及改变双开口分裂环的相对开口朝向来实现对不同极化状态下入射相干波束的吸收通道进行规律性调控的成本低廉、操作便捷、制作简单的水基夹层超表面可调相干吸波体。

本发明是一种水基夹层超表面可调相干吸波体，含有蚀刻有谐振器金属图案的PCB板作为微单元的组成部分，微单元周期性排列构成相干吸波体的整体结构，其特征在于：所述微单元是由两个蚀刻有谐振器金属图案PCB板位于两侧，水材料作为中间介质层共同组成的三明治夹层结构，蚀刻有谐振器金属图案的PCB板和水材料基板长和宽尺寸等大，构成水基夹层超表面可调相干吸波体微单元。

本发明解决了用低成本材料实现对相干吸收峰的频率和幅度的实时动态调控以及对不同极化状态下入射相干波束的吸收通道规律性地重合与分裂的技术问题。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

提升综合调控能力：本发明利用水作为中间介质层和蚀刻有金属图案的PCB板一起组成水基夹层超表面可调相干吸波体微单元，由于水的介电常数与温度相关联，所以可以通过调节水温和相干波束的入射相位差来共同操控水基夹层超表面相干吸波体与入射相干电磁波的相互作用过程，相比于现有技术，可以对其吸波特性如吸收频点和吸收率同时进行灵活动态调控，极大地提升了相干吸波体的可调控能力。

调整两侧开口谐振环实现不同极化状态下入射电磁波的吸收通道的分裂：本发明通过调整水材料基板两侧的双开口分裂谐振环的相对开口朝向，可以实现对不同极化状态下的入射相干波的吸收通道进行规律性地调控，达到完全重合和分离效果。类似正交偏振激光器产生频率通道分裂和可调的正交偏振光的“逆过程”，这种特殊的性能在频率滤波和偏振选择透过性方面具有重要应用价值。

制造成本低廉：本发明提出的相干吸波体基于水材料，水作为自然界最常见的材料之一，在生活中随处可见，水的介电常数依据德拜模型会随着温度的变化而变化，是一种可用于设计可调谐吸波体的天然低成本材料。

整体结构简单：本发明提出相干吸波体是由两块蚀刻有特定金属图案的PCB板和水作为中间介质层组成的三明治型结构，整体结构设计简单，相对于现有的大部分相干吸波体，易于加工制造。

操控便捷：本发明通过控制水温和相干波束的入射相位差来实时调控相干吸收峰频率和幅度，不需要附加额外的控制电路或机械性操控，调控原理简单明了，调控方式便捷易于操作。

附图说明

图1(a)是本发明的整体结构示意图，图1(b)是周期性排列组成整体结构的微单元结构示意图，图1(c)是微单元结构分解示意图；

图2是本发明的双开口分裂谐振环4的结构示意图；

图3是本发明的调节单元D-SRR环的相对开口朝向的分解示意图；

图4是本发明的与相位差和频率相关的相干吸收率结果图；

图5是本发明的相干吸收率在2.14GHz时的相位调控结果图；

图6是本发明在不同θ_R数值下TE和TM极化波的相干吸收频谱合成图；

图7是本发明TE和TM极化波的相干吸收峰值及频率与θ_R的关系曲线图；

图8是本发明在θ_R数值为0°和90°时的TE和TM极化波吸收频谱；

图9是本发明的相干吸收率的水温调控结果图。

以下结合附图和具体实施例，对本发明详细描述，本实例包括但不限于以下实施例。

具体实施方式

实施例1

相干完美吸波体的概念自被提出以来，具备吸收峰强度可调性的相干完美吸波体为传统电磁吸波体的可调谐性研究提供了一种全新的解决思路，即通过调整两束相干光之间的相位差的方式实现对吸收强度动态调控。在研究过程中本发明的申请人注意到现有的大部分相干吸波体都只能在固定的吸收峰频率下实现对吸收率的可调，缺乏对吸收峰频率的实时调整，或是利用石墨烯等昂贵材料制造而成的搭载偏置电路的可调相干完美吸波体。另一方面，已有文献的研究缺乏对不同极化状态下相干波束的吸收性能进行区分和利用，这限制了相干完美吸波体在频率滤波和偏振选择透过性等方面的应用。本发明针对上述现状展开了实验与研究，提出了一种水基夹层超表面可调相干吸波体。

本发明是一种水基夹层超表面可调相干吸波体，含有蚀刻有谐振器金属图案的PCB板作为微单元的组成部分，微单元周期性排列构成相干吸波体的整体结构，参见图1(a)，本发明的微单元是由两个蚀刻有谐振器金属图案PCB板位于两侧，水材料作为中间介质层共同组成的三明治夹层结构，水材料中间介质层就是水材料基板，也称为水基夹层，还称为第一介质层，蚀刻有谐振器金属图案的PCB板和水材料基板长和宽尺寸等大，构成水基夹层超表面可调相干吸波体微单元，参见图1(b)。本发明接收一对信号波束和控制波束，两个波束是相干波关系，通过调整控制波束的入射相位可对信号波束的吸收进行调控。

本发明在研究工作中注意到现有的相干吸波体的结构所具备的典型相干吸波体的吸波性能动态调控能力单指在固定吸波峰频率下的吸收率调控。水的介电常数依据德拜模型会随着温度的变化而变化，可以通过改变温度来操控它的电磁参数，进而改变水和电磁波的相互作用过程即电磁响应。将低成本的水材料用于相干吸波体设计，实现同时对相干吸波峰幅度和频率的控制，为多重可调谐相干吸波体的设计提供解决思路。本发明经研究提出了一种可调控电磁波吸收性能的水基夹层超表面结构，在保证水温调制的同时，可以改变水基夹层两侧双开口分裂谐振环的相对旋向，实现不同极化状态下入射电磁波的吸波频率的分离，类似正交偏振激光器产生频率通道分裂和可调的正交偏振光的“逆过程”，从而达到改变相干吸波超表面对于不同极化的电磁波吸收敏感度效果。这种特殊的性能使本发明提出的相干吸波体可以在频率滤波和偏振选择透过性方面发挥应用价值。

实施例2

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1，参见图1(c)，图1(c)是微单元结构分解示意图，本发明的蚀刻有谐振器金属图案的PCB板的谐振器金属图案是双开口分裂谐振环4。参见图1(b)，图1(b)周期性排列组成整体结构的微单元示意图，本发明双开口分裂谐振环与PCB板平面几何中心重合。参见图2，图2是本发明的双开口谐振环单元4的结构示意图，本发明的双开口分裂谐振环是由内环和外环同圆心分布，内环是由两段小半径的金属圆弧线13和14构成的位于同一直径上设有两个开口的环，外环是由两段大半径的金属圆弧线11和12构成的同样位于同一直径上设有两个开口的环，内环和外环的半径相差1毫米，本发明的内环和外环的开口方向正交。

本发明通过调整水材料基板两侧的双开口谐振环的开口相对朝向，实现对不同极化状态下的入射相干波吸收通道的分离与合并。

需要指出双开口分裂谐振环(double split-ring resonator，简称D-SRR)结构本身并不具有中心旋转对称性，所以正常在单通道吸波时(指单方向入射电磁波到吸波体，而相干吸波是吸收两个相向方向传播的相干电磁波，可视为双通道吸波体)应该对横电波TE和横磁波TM极化电磁波具有不同的电磁响应，即吸波体对不同极化入射的电磁波应该是极化敏感的。本发明的技术方案中还可通过调整水基夹层两侧的D-SRR环的相对开口朝向，实现对不同极化状态下入射相干波束的吸波通道进行规律性地调控，以使在特定的相对开口朝向下，利用水基夹层两侧的D-SRR环在空间位置上的旋转对称性，实现相干吸波体对TE和TM极化电磁波的吸收具有极化不敏感性。

本发明中所说的特定的相对开口朝向是指在调节水基夹层两侧的D-SRR环的相对开口朝向过程中，使水基夹层其中一侧的D-SRR环的开口朝向相对另一侧的D-SRR环的开口朝向围绕圆心旋转90°。

实施例3

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-2，参见图1(b)，本发明的水材料基板1的厚度T₁为5.8毫米，材料为纯水，其介电常数ε_r(f,T)依据Debye模型与温度相关：介电常数

其中ε_∞(T)是高频介电常数，ε_s(T)是静态时的介电常数，而τ(T)指的是驰豫时间，它们的数值大小都与水的温度T(℃)相关联，通过调节环境温度和控制波相位来操控水基夹层超表面相干吸波体与入射相干电磁波的相互作用，实现其吸波频点和吸收率的动态调控。

水作为自然界最常见的材料之一，在生活中随处可见。W.J.Ellison于2007年发表了一篇关于水的介电常数的文章，其在前人的研究基础上经过了大量实验测试数据的拟合分析和推理验证，系统性的给出了水的介电常数在0-25THz频带内随温度从0-100℃变化的计算模型，指出了水的介电常数与工作频率和温度相关联。根据W.J.Ellison的工作，水的介电常数ε_r(f,T)在温度0-100℃和频率0-90GHz范围内可利用一阶经典Debye formula(德拜模型)计算得出。因此，本发明通过改变温度来操控它的电磁参数，以改变水和电磁波的相互作用过程即电磁响应，是一种可用于设计可调谐吸波体的天然低成本材料。本发明的相干吸收峰频率会随着水材料基板厚度T₁的增加而红移，在T₁为5.8mm附近相干吸波率达到最大值。

实施例4

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-3，本发明的蚀刻有谐振器金属图案的PCB板的基底，参见图1(c)，图中位于微单元两侧的PCB板的基底2和3的厚度均为0.3毫米，基底的材料是PCB材料，介电常数为4.05-0.05i。在PCB板的基底上也就是位于水材料基板一侧蚀刻的双开口分裂谐振环4，谐振环结构厚度为微米量级，材料为金属铜。通过调整第一介质层即水材料基板1两侧的双开口分裂谐振环4的开口相对朝向，实现对不同极化状态下的入射相干波吸收通道的分离与合并。

本发明蚀刻有谐振器金属图案的PCB板基底2和3的厚度或介电常数与相干吸收峰的频率成反比关系，厚度或介电常数越大，相干吸收峰的频率会红移；厚度或介电常数越小，相干吸收峰的频率会蓝移。本发明PCB板基底2和3的厚度和介电常数在小范围内变化时，均能实现对入射相干波束的完美吸收效果，虽然谐振频率会随着厚度和介电常数的变化而产生偏移，但是偏移的程度相对吸收频段而言是非常小的，其对相干吸波体的完美吸波性能几乎没有影响，使得本发明对在实际PCB基板加工制造中存在的加工尺寸偏差或材料偏差具有良好的包容性，易于加工制造。

实施例5

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-4，参见图1(b)，本例中的水基夹层超表面可调相干吸波体微单元的长和宽尺寸P为6毫米×6毫米，本发明中相干吸收峰的频率会随着微单元的长和宽尺寸P的增大而蓝移，减小而红移。

参见图2，本例中双开口分裂谐振环4的内环的半径ir＝1毫米，而内环半径ir参数的增加，相干吸收峰的频率会红移。本例中内环宽度w₁＝0.5毫米,随着内环宽度w₁参数增加，相干吸收峰的频率会产生红移。本例中外环宽度w₂＝0.5毫米，相干吸收峰的频率会随着外环宽度w₂参数的增加而红移。本例中内环和外环之间的间隔g＝0.5毫米，间隔g参数的增加会促使相干吸收峰的频率红移。本发明,双开口分裂谐振环各结构参数的增加会导致结构单元尺寸的增加，其谐振频率会相应减小，使相干吸波峰的频率降低，而吸收峰强度会出现略微的浮动，但整体保持在较高的水准。

本例中内环和外环的开口宽度均为w_s＝0.5毫米，相干吸收峰的频率会随着内环和外环开口宽度w_s的增加而略微蓝移，这是由于把D-SRR环作为LC谐振电路，金属开口宽度的增加会导致等效电容减小，而LC谐振频率则会相应增加。

本发明在相干吸波峰频率降低的同时，吸收峰的相对带宽也会略微减小，这是由于在更低的频率时水的电损耗角正切会减小，水的内部会有更低的介电损耗，从而在谐振频点处会有更高品质的谐振以及更尖锐的吸收频谱。

下面给出一个更加详细的例子，对本发明进一步说明

实施例6

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-5。

本发明水基夹层超表面可调相干吸波体整体结构，参见图1(a)，水基夹层超表面可调相干吸波体整体是由N个微单元周期性排列组合而成，微单元结构示意参见图1(b)，微单元结构分解示意参见图1(c)。

从整体上讲，水基夹层超表面可调相干吸波体整体结构可看成是由两个周期性双开口分裂谐振板和一个水材料基板1组成，周期性双开口分裂谐振板和水材料基板1长和宽尺寸等大。水材料基板1位于两个周期性双开口分裂谐振板之间，形成三明治夹层结构。

以下是以微单元为基础描述的。以水材料基板1划分有N个相互连接的周期性单元小块，同样每个周期性双开口分裂谐振板也划分有N个相互连接的周期性单元小块，水材料基板和周期性双开口分裂谐振板在相同位置上划分的每个周期性单元小块共同构成水基夹层超表面可调相干吸波体微单元，参见图1(b)。为了清晰地说明微单元的结构，将其进行分解展示，如图1(c)所示，周期性双开口分裂谐振板划分的每个小块是在PCB基底2和3上单面蚀刻双开口分裂谐振环(D-SRR)4，双开口分裂谐振环结构4由两种长度大小的四个金属圆弧线构成。基底2和3的厚度均为0.3毫米，材料是PCB，介电常数为4.05-0.05i。周期性蚀刻的双开口分裂谐振环4的蚀刻厚度为微米量级，材料为金属铜。微单元的长和宽尺寸P为6毫米×6毫米，参见图1(b)。水材料基板1划分的周期性单元小块的厚度T₁为5.8毫米，材料为纯水，介电常数依据Debye模型与温度相关。本发明的水基夹层超表面可调相干吸波体接收一对信号波束5和控制波束6。通过改变控制波束的入射相位而等效调整两个相干波束的入射相位差，实现对信号波束的吸收调控。

参照图2，本发明图1(c)中展示的微单元的水材料基板1两侧的双开口分裂谐振环结构4结构相同，每个谐振环是由四个金属圆弧线组成，包括两个外侧金属圆弧线11和12，两个内侧金属圆弧线13和14；两个外侧金属圆弧线11和12组成外环，两个内侧金属圆弧线13和14组成内环。外环和内环的开口朝向相对旋转90°，即开口方向正交。双开口分裂谐振环4的内环的半径ir＝1毫米，内环的宽度w₁＝0.5毫米，外环的宽度w₂＝0.5毫米，内环和外环之间的间隔g＝0.5毫米，内环和外环开口宽度均为w_s＝0.5毫米。

参照图3，图3是本发明的调节单元D-SRR环的相对开口朝向的分解示意图，本发明通过调节水材料基板1两侧的双开口分裂谐振环(D-SRR)4的相对开口朝向来实现对不同极化状态下入射相干波束的吸收通道进行规律性调控，即对相干吸收体的吸收极化灵敏性的调控。本发明统一规定把内环的开口朝向作为水材料基板1两侧的D-SRR环的开口朝向，并定义相对旋转角度参量θ_R来度量水材料基板1两侧的D-SRR环相对开口朝向的变化，即水材料基板1两侧的D-SRR环的内环的相对开口朝向变化。在图3中所示的直角坐标系下，位于水材料基板1的+z方向一侧的D-SRR环的开口朝向为x轴方向，而另一侧D-SRR环的开口朝向是y轴方向，定义此状态下的θ_R为0°。本发明通过固定水材料基板1的+z方向一侧的D-SRR环的开口朝向为x轴方向不变，而以另一侧的D-SRR环的结构中心作为旋转中心并旋转该侧的D-SRR环，进而调整相对旋转角度参量θ_R。由于D-SRR环结构具有中心对称性，相对旋转角度参量θ_R有效变化范围是0°～90°。

本发明提出的一种水基夹层超表面可调相干吸波体，能够实现吸波性能的动态可调控和不同极化状态下电磁波的吸收敏感性的可调控；水基夹层超表面可调相干吸波体，包括两个周期性双开口分裂谐振板和一个水材料基板，周期性双开口分裂谐振板和水材料基板等大，水材料基板位于两个周期性双开口分裂谐振板之间，形成三明治夹层结构。每个周期性双开口分裂谐振板划分有N个相互连接的周期性单元小块，每个小块在介质基板上蚀刻有双开口谐振环(D-SRR)；通过调整两侧的双开口谐振环的开口相对朝向，可以实现对不同极化状态下的入射相干波吸收通道的完全重合和分离，在频率滤波和偏振选择透过性方面具有重要应用价值，同时改变水温和控制波的相位可以对其吸波特性如吸收频点和吸收率进行实时动态调控，极大地提高了相干吸收器的可调控能力。

下面通过仿真及其数据结果对本发明的技术效果再作说明

实施例7

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-6。

以下结合仿真实验结果，对本发明水基夹层超表面可调相干吸波体的吸收性能的可调控特性进行描述。

仿真条件：

使用商业仿真软件CST Microwave Studio对本发明进行数据仿真。

仿真内容：

仿真1，对本发明提出的水基夹层超表面可调相干吸波体在相对旋转角度参量θ_R为0°情况下，1～3.5GHz频率范围内的吸收率与两束相干入射波相位差的关系进行仿真，其仿真结果如图4所示。

仿真结果

参照图4，图4是本发明的与相位差和频率相关的相干吸收率结果图，图4中横坐标轴是相干波束的入射相位差，纵坐标轴是入射相干波束的频率，该图是相干吸收率与相干波束的入射相位差和入射相干波束的频率三者之间的三维投影图，给出了上述三者之间的关联关系。从图中可见相干吸收率的数值大小用不同的颜色表征，颜色越浅，吸收率越高，在相干波束不同的入射相位差和频率下，颜色分布反映着相干吸收率的变化情况。

本发明在相对旋转角度参量θ_R为0°情况下，1～3.5GHz频率范围内的吸收率随着两束相干入射波相位差的变化而变化，说明可以通过调整入射相干波束的相位参数来灵活调控相干吸波体的电磁吸波性能，这种相位调制可利用改变控制波束的入射相位而对信号波束的电磁吸收进行调控，使其在信息调制和光开关等方面有着重要的应用潜力。可见在频率2～2.3GHz和相位差120°～240°范围内的颜色分布较浅，说明相干吸收率在该局域内较高，而每种颜色代表的相干吸收率都有明晰的界线，颜色越深，分布的区域越大，颜色越浅，分布的区域越集中。不同频率的相干波束入射时，相位调制所能实现的相干吸收率的最大值是不同的，可见在相位差为180°(即两个相向传播的相干波传播到电磁相干吸波体时的相位相反)和频率为2.14GHz附近的颜色最浅，说明该区域的相干吸收率最大，出现了吸收峰。本发明的同一吸收频率下的相干波束的相位差与相干吸收率的关系，可以作为信息调制和光开关器件开发等领域应用的理论基础。

实施例8

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-6，仿真条件同实施例7。

仿真内容：

仿真2，对本发明提出的水基夹层超表面可调相干吸波体在相对旋转角度参量θ_R为0°情况下，2.14GHz频率处的吸收率与两束相干入射波相位差的关系进行仿真，其结果如图5所示；

仿真结果

参照图5，图5是本发明的相干吸收率在2.14GHz时的相位调控结果图，图5中横坐标轴是相干波束的入射相位差，纵坐标轴是相干吸收率，该图给出了在固定2.14GHz频率和相对旋转角度参量θ_R为0°情况下，相干吸收率随入射相位差的变化情况。

本发明在相对旋转角度参量θ_R为0°情况下，2.14GHz频率处的吸收率在两束相干入射波相位差为180°时呈现最大值，近100％吸收，且该频点下的吸波率随着相干波相位差的变化而变化，当相干波相位差为0°或360°的时候，吸波率最小为0.039％，说明可以通过灵活调控相位差的方式实现对相干吸收率的调节。仿真实验也验证了在2.14GHz频率下，本发明所提出的电磁相干吸波体的厚度小于其工作波长的1\24，具有很小的剖面，易于集成应用。本发明可以作为生物传感和主控隐身等领域应用的理论依据。

实施例9

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-6，仿真条件同实施例7。

仿真内容：

仿真3，对本发明提出的水基夹层超表面可调相干吸波体在两束相干入射波相位反相情况下，1～3.5GHz频率范围内的TE极化波和TM极化波的吸收率与相对旋转角度参量θ_R的关系进行仿真，其结果如图6所示。

仿真结果

参照图6，图6是本发明在不同θ_R数值下TE和TM极化波的相干吸收频谱合成图，图中横坐标轴是相对旋转角度θ_R参量，纵坐标轴是入射相干波束的频率，该图是在两束相干入射波相位反相情况下，TE和TM极化电磁波的相干吸收率与相对旋转角度θ_R参量和入射相干波束的频率三者之间的三维投影图。相干吸收率的数值大小用不同的颜色表征，颜色越浅，吸收率越高，在不同的相对旋转角度θ_R参量和频率下，颜色分布反映着相干吸收率的变化情况。从图中可见两块亮白色分布区域分别表征本发明针对TE和TM极化电磁波的吸收通道。

本发明在两束相干入射波相位反相情况下，TE极化波和TM极化波的吸收通道在θ_R为0°～10°范围内重合区域较大，而进一步随着相对旋转角度θ_R参量的增大，相干吸波体对于TE极化波和TM极化波的相干吸收通道会逐渐分裂，说明本发明可以通过调整水基夹层两侧的双开口分裂谐振环的相对开口朝向来实现对不同极化状态下的入射相干波的吸收通道进行规律性地调控，达到完全重合和分离效果。类似正交偏振激光器产生频率通道分裂和可调的正交偏振光的“逆过程”，这种特殊的性能在频率滤波和偏振选择透过性方面具有重要应用价值。

实施例10

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-6，仿真条件同实施例7。

仿真内容：

仿真4，对本发明提出的水基夹层超表面可调相干吸波体在两束相干入射波相位反相情况下，TE极化波和TM极化波的吸收峰的强度和频率与相对旋转角度参量θ_R的关系进行仿真，其结果如图7所示。

仿真结果

参照图7，图7是本发明TE和TM极化波的相干吸收峰值及频率与θ_R的关系曲线图，图中横坐标轴是相对旋转角度θ_R参量，左纵坐标轴是相干吸收峰值，右坐标轴是相干吸收峰的频率，该图中给出了相对旋转角度θ_R参量在0～90°范围内变化时，TE极化波和TM极化波的相干吸收峰值和频率的变化情况。图中TE极化波相干吸收峰值用带方形标记的实线表征，TM极化波相干吸收峰值用不带标记的实线表征，TE极化波相干吸收峰频率用带方形标记的虚线表征，TM极化波相干吸收峰频率用不带标记的虚线表征。

图中可见，本发明在不同的相对旋转角度参量θ_R时，电磁相干吸波体对TE极化波和TM极化波的吸收峰值均大于98％，随着相对旋转角度参量θ_R的增大，电磁相干吸波体对TE极化波和TM极化波的吸收峰的频率间隔呈现近线性的增加，当相对旋转角度参量θ_R为90°时，吸收峰的频率间隔达到最大，为500MHz。说明在不同的相对旋转角度参量θ_R下，均能保持对不同极化状态下入射相干波束的近似完美吸波效果，而不同极化入射波的吸收通道的频率会产生分裂。

实施例11

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-6，仿真条件同实施例7。

仿真内容：

仿真5，对本发明提出的水基夹层超表面可调相干吸波体在两束相干入射波相位反相情况下、相对旋转角度参量θ_R分别为0°和90°时，1～3.5GHz频率范围内的TE极化波和TM极化波的吸收率进行仿真，其结果如图8所示。

仿真结果

参照图8，图8是本发明在θ_R数值为0°和90°时的TE和TM极化波吸收频谱，其中两束相干波束入射相位反相，图中横坐标轴是入射相干波束的频率，纵坐标轴是相干吸收率，该图给出了在两种相对旋转角度θ_R参量状态下，TE极化波和TM极化波的相干吸收频谱。从图中可见在相对旋转角度θ_R参量为0°状态下，TE极化波相干吸收频谱用不带标记的实线表征，TM极化波相干吸收频谱用带方形标记的实线表征。在相对旋转角度θ_R参量为90°状态下，TE极化波相干吸收频谱用不带标记的浅颜色虚线表征，TM极化波相干吸收频谱用不带标记的深颜色虚线表征。

图中可见，本发明提出的水基夹层超表面可调相干吸波体在相对旋转角度参量θ_R为0°时，对TE极化波和TM极化波的吸收通道是完全重合的，即具有极化不敏感性。当相对旋转角度参量θ_R为90°时，电磁相干吸波体对于TE极化波和TM极化波的吸收通道是完全分离的，此时结构对于不同的极化入射波是敏感的。说明可以通过调整相对旋转角度参量θ_R的数值来实现对不同极化状态下入射电磁波的吸收敏感性的调控。

而这种特性的产生可以通过结构在不同极化电磁波入射下的散射参数关系来解释：

式中A_c,TE和A_c,TM分别是在垂直入射时相干吸波体针对TE和TM极化状态下的相干波束的吸收率。当相对旋转角度参量θ_R为90°时，位于第一介质层1两侧的D-SRR环4的开口朝向是一致的且关于结构中心对称，此时针对不同极化下电磁波入射下结构的散射参数根据对称和互异原则有如下关系S_TE ²²＝S_TE ¹¹，S_TM ²²＝S_TM ¹¹，S_TM ²¹＝S_TM ¹²，S_TE ²¹＝S_TE ¹²，但是因为结构不具有中心旋转对称性，所以S_TE ¹¹≠S_TM ¹¹，S_TE ¹²≠S_TM ¹²，从而导致结构对TE和TM不同极化模式下的相干吸波情况不同，即结构是极化敏感的。而相对旋转角度参量θ_R为0°时，位于第一介质层1两侧的D-SRR环4的开口朝向正交，此时不同极化电磁波入射下结构的散射参数有如下关系：S_TE ²²≠S_TE ¹¹，S_TM ²²≠S_TM ¹¹(结构不对称)，而满足互异原则S_TM ²¹＝S_TM ¹²，S_TE ²¹＝S_TE ¹²，但是由于第一介质层1两侧的D-SRR环4具有空间位置上的旋转对称性，从而使S_TE ¹¹＝S_TM ²²，S_TE ²²＝S_TM ¹¹，S_TE ¹²＝S_TM ¹²，从而满足A_c,TE＝A_c,TM的条件，即相干吸波体在相对旋转角度θ_R为0°时具有极化不敏感性。

实施例12

一种水基夹层超表面可调相干吸波体的总体构成同实施例1-6，仿真条件同实施例7。

仿真内容：

仿真6，对本发明提出的水基夹层超表面可调相干吸波体在两束相干入射波相位反相情况下，水温在0～90℃范围内的吸收峰的强度及其频率进行仿真，其结果如图9所示。

仿真结果

参照图9，图9是本发明的相干吸收率的水温调控结果图，图中横坐标轴是水的温度，左纵坐标轴是相干吸收峰的频率，右纵坐标轴是相干吸收峰值，该图给出了水的温度在0～90℃范围内变化时，相干吸收峰的峰值和频率的变化情况，从图中可见相干吸收峰值用不带标记的虚线表征，相干吸收峰频率用带标记的虚线表征。

本发明在水温从0℃到90℃变化时，相干吸波体的电磁吸收峰值及其对应频率会随之变化。在2.04GHz到2.48GHz范围内，吸波峰的频率会随着水温的升高而蓝移，随着水温的减小而红移，吸波峰的峰值会随着水温从0℃到90℃变化时，先升高后降低。说明通过水温调控来操控相干吸波体与入射相干波束的相互作用过程即电磁响应，配合相位调制来共同实现对相干吸波体的电磁吸收性能包括相干吸收峰频率和幅度的灵活动态调控，这种组合调控方式不需要附加额外的控制电路或机械性操控，不仅节约成本而且调控方式便捷易于操作。

综上所述，本发明的一种水基夹层超表面可调相干吸波体，是一种新型结构，解决了用低成本材料实现对相干吸收峰的频率和幅度的实时动态调整以及对不同极化状态下入射相干波束的吸收通道规律性调控的问题。微单元周期性排列构成水基夹层超表面可调相干吸波体的整体结构，微单元是由两个蚀刻有双开口分裂谐振环金属图案PCB板位于两侧，水材料作为中间介质层共同组成的三明治夹层结构，蚀刻有双开口分裂谐振环金属图案的PCB板和水材料基板长和宽尺寸等大，构成水基夹层超表面可调相干吸波体微单元。通过调整中间水介质层两侧的双开口分裂谐振环的开口相对朝向，实现对不同极化状态下的入射相干波吸收通道的完全重合和分离，即不同极化状态下电磁波的吸收敏感性的可调控，在频率滤波和偏振选择透过性方面具有重要应用价值，同时改变水温和入射相干波束的相位可以对其吸波特性如吸收频点和吸收率进行实时动态调控，极大地提高了相干吸波体的可调控能力。

Claims (5)

1.一种水基夹层超表面可调相干吸波体，含有蚀刻有谐振器金属图案的PCB板作为微单元的组成部分，微单元周期性排列构成相干吸波体的整体结构，其特征在于：所述微单元是由两个蚀刻有谐振器金属图案PCB板位于两侧，水材料作为中间介质层共同组成的三明治夹层结构，蚀刻有谐振器金属图案的PCB板和水材料基板长和宽尺寸等大，构成水基夹层超表面可调相干吸波体微单元。

2.根据权利要求1所述的水基夹层超表面可调相干吸波体，其特征在于：所述的蚀刻有谐振器金属图案的PCB板的谐振器金属图案是双开口分裂谐振环，双开口分裂谐振环是由内环和外环同圆心分布，内环是由两段小半径的金属圆弧线构成的位于同一直径上设有两个开口的环，外环是由两段大半径的金属圆弧线构成的同样位于同一直径上设有两个开口的环，内环和外环的半径相差1毫米，其内环和外环的开口方向正交；通过调整水材料基板两侧的双开口谐振环的开口相对朝向，实现对不同极化状态下的入射相干波吸收通道的分离与合并。

3.根据权利要求1所述的水基夹层超表面可调相干吸波体，其特征在于：所述的水材料基板的厚度T₁为5.8毫米，材料为纯水，其介电常数ε_r(f,T)依据Debye模型与温度相关：

其中ε_∞(T)是高频介电常数，ε_s(T)是静态时的介电常数，而τ(T)指的是驰豫时间，它们的数值大小都与水的温度T(℃)相关联，通过调节环境温度和控制波相位来操控水基夹层超表面相干吸波体与入射相干电磁波的相互作用，实现其吸波频点和吸收率的动态调控。

4.根据权利要求1所述的水基夹层超表面可调相干吸波体，其特征在于：所述的蚀刻有谐振器金属图案的PCB板的基底厚度为0.3毫米，材料是PCB，介电常数为4.05-0.05i；双开口分裂谐振环(4)的厚度为微米量级，材料为金属铜。

5.根据权利要求1所述的水基夹层超表面可调相干吸波体，其特征在于：所述的水基夹层超表面可调相干吸波体微单元的长和宽尺寸P为6毫米×6毫米；双开口分裂谐振环(4)的内环的半径ir＝1毫米，内环宽度w₁＝0.5毫米；外环宽度w₂＝0.5毫米，内环和外环之间的间隔g＝0.5毫米，内环和外环开口宽度w_s＝0.5毫米。

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