CN204696244U - 一种1-比特微波各向异性电磁编码超材料 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种1-比特各向异性电磁编码超材料。其单元结构由各向同性和各向异性两种结构组成，通过设计优化单元结构的几何参数，可使得每个单元在x极化和y极化垂直入射的电磁波照射时呈现出独立的反射相位0度和180度，分别对应数字态“0”和“1”。按预先设计的数字编码在二维平面上排列这些数字单元，就形成了各向异性电磁编码超材料。由于每个单元在x和y极化时的响应是独立的，因此经过编码后的超材料可以在x极化和y极化垂直入射波照射时表现出独立的响应，包括异常波束分离和随机表面散射等。本实用新型具有结构简单、易于加工、宽频带等优点，可用于设计波束分离，产生多波束；或可用于设计隐身表面，有效缩减目标的雷达散射截面积。

Description

一种1-比特微波各向异性电磁编码超材料

技术领域

本实用新型涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种具有极化受控功能的各向异性电磁编码超材料。

背景技术

对电磁波的任意操控一直以来是电磁学界的研究热点，传统方案通常是利用整块介质材料(传统透镜)或者依靠金属表面的形状(传统天线)来调控电磁场分布，但是此类方案都是依靠特定的几何形状或者透镜的等效折射率的所带来的空间相位累积实现的，因此具有较厚的厚度，不便于其他设备集成。

2011年Capasso等人提出了广义斯涅尔定律，通过在二维表面上引入不连续相位，将原本需要空间累积的相位变成平面上的相位突变补偿，使得利用二维超表面操控电磁波的幅度和相位成为可能，利用此技术来制作各种透镜及天线，将极大地缩减其物理尺寸和减轻重量。由于每个结构单元可以实现对电磁波幅度和相位的任意控制，因此通过设计更加复杂的相位分布，可以实现诸如涡旋波束和贝塞尔波束等；如果设计随机的相位分布，则可实现对入射波漫反射的效果，能够有效地降低目标的雷达散射截面，实现隐身。

以上提到的超材料的单元设计都是对各向同性的，即设计好的超材料的功能就是唯一的，不会随极化改变而改变。本实用新型设计的1-比特各向异性电磁编码超材料则可通过改变入射电磁波的极化方向而改变其功能。本实用新型所设计的1-比特电磁编码超材料包含了反射波幅度相同而相位依次相差90度的四个数字态“0”、“1”、“2”和“3”，由于单元结构能够在x极化和y极化垂直入射波的照射下呈现出独立的数字态响应，因此当垂直入射的电磁波的极化方向沿x轴和y轴时，这种各向异性编码超材料会呈现出两种不同的功能，其中包括异常波束分离和随机表面散射等。

发明内容

本实用新型提供了一种具有极化受控功能的1-比特各向异性电磁编码超材料，通过设计特定的数字编码序列并将其赋予材料中的每个基本单元，便可在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下独立地实现不同的功能，如异常波束分离和随机表面散射等。

为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：

本实用新型是由四种基本单元结构组成，其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下独立地呈现0度和180度反射相位，分别对应于数字态“0”和“1”。为了方便标记，我们将每一个单元结构命名为“s/s”的形式，其中斜杠前面和后面的字母分别代表为x极化和y极化时的反射相位数字态，因此这四个结构可以记为“0/0”、“1/1”、“0/1”和“1/0”。其中“0/0”、“1/1”为各项同性结构；“0/1”和“1/0”为各向异性结构。

将这些基本单元结构按照相应的编码矩阵排列在二维平面上，当垂直入射的电磁波沿x方向或y方向极化时，所设计的超材料能够呈现出不同的响应。

与现有技术相比，本实用新型的优势在于：

1.本实用新型以x极化和y极化时数字态共同来表征每个基本单元，通过设计编码矩阵进行有效地分析和设计电磁超材料。

2.本实用新型的基本单元结构能够在两个互相垂直的极化方向上呈现出独立的数字态响应，因此具有更大的设计灵活度，具体表现在本实用新型能够在入射波更改极化方向时呈现出不同的功能，如异常反射和随机表面散射等，所实现的器件具有定向率高，转换效率高的特点。

3.本实用新型所设计的金属图案结构简单，且为单层金属结构，在微波段可采用常规印制电路板工艺，在太赫兹、红外以及光波段可以采用常规光刻工艺，易于量产。所制成的样品具有超薄超轻的特点，易于与现有系统集成；同时也可覆盖在任何具有曲面的物体上，用于缩减其雷达散射截面积。

附图说明

图1为本实用新型的基本单元结构，其中图(a)为各向同性单元结构，图(b)为各向异性单元结构。

图2为本实用新型的“0/0”和“1/1”各向同性单元结构在x极化和y极化时的反射相位”和相位差；

图3为本实用新型的“1/0”各向异性单元结构在x极化和y极化时的反射相位和相位差；

图4为本实用新型的“0/1”各向异性单元结构在x极化和y极化时的反射相位和相位差；

图5为当编码矩阵为时的电磁编码图案，总共有16*16个超级子单元，每个超级子单元的尺寸为4*4；

图6为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz；

图7为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz；

图8为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向与x轴夹角45度时的三维远场散射方向图，频率为1THz；

图9为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时在Y-Z截面上的电场Ex分量分布图，频率为1THz；

图10为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时在X-Z截面上的电场Ey分量分布图，频率为1THz；

图11为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向与x轴夹角45度时在X-Z截面和Y-Z截面上的电场Ey分量和Ex分量分布图，频率为1THz；

图12为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时在Y-Z平面内的二维远场散射方向图，频率为1THz；

图13为当编码矩阵为时的电磁编码图案，总共有16*16个超级子单元，每个超级子单元的尺寸为4*4；

图14为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz；

图15为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz；

图16为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时在Y-Z平面内的二维远场散射方向图，频率为1THz；

图17为当编码矩阵为时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的背向散射增益，频率为1THz；

具体实施方式：

为了验证本实用新型的功能及性能，将在太赫兹频段实例化本实用新型所提到的1-比特电磁编码超材料的四种基本单元结构。其可分为各向同性和各向异性两类，图1(a)给出了各向同性单元结构的立体结构图，其中从下往上分别是厚度为t的金属基底、厚度为d的F4B介质层和厚度为t的正方形金属方片，其中正方形金属片长为a，正方形介质层长为p。图1(b)给出了各向异性单元结构的立体结构图，其中从下往上分别是厚度为t的金属基底、厚度为d的聚酰亚胺介质层和厚度为t的正方形金属方片，正方形介质层长为p，哑铃状金属片的四个参数h1、h2、w1和w2的长度如图标注所示。表1给出了这四个结构的具体参数，其中由于两个各向异性结构(哑铃状结构)可以通过90度旋转获得，因此只给出了数字态为“1/0”结构的参数。

表1.1-比特各向异性电磁编码超材料的4种基本单元结构的几何参数，下划线之前的字母代表几何参数名，下划线之后的字母代表数字态。

以上四个基本结构在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下可以独立地产生数字态响应“0”和“1”，即反射相位为0度和180度，因此排列组合后便有4种不同的组合“0/0”、“1/1”、“0/1”和“1/0”，其中前者为x极化时的反射相位数字态，后者为y极化时的反射相位数字态。图2给出了“0/0”和“1/1”编码单元在0.7THz到1.3THz时的反射相位，可以看出“0/0”和“1/1”编码单元在1THz时的反射相位分别为-74°和106°,相差180°。图3和图4分别给出了“1/0”和“0/1”编码单元在0.7THz到1.3THz时在x极化和y极化垂直入射波下的反射相位，同样，这两个单元在1THz时相位相差180度。

第一个示例，我们采用在x极化和y极化时相位分布都呈现数字态相位“010101…”梯度分布的情况，即对应一个二维矩阵

由于相邻不同结构单元之间的电磁耦合会给超材料带来不可预期的相位响应，为了避免因此效应带来性能上的恶化，在这里我们引入超级子单元的概念，其由N*N个相同的基本单元结构组成。此示例中，整个材料由16*16个超级子单元构成，每个超级子单元的尺寸为4*4，如图5所示。图6和图7分别展示了编码矩阵为的超材料在x极化和y极化垂直电磁波时的三维远场方向图，可以清楚地看到x极化垂直入射的波束被分离并偏转到Y-Z平面内与z轴夹角为48度角的方向上(θ＝48°和θ＝48°)，如图12中Y-Z平面内Y-Z平面内二维远场散射方向图所示；y极化垂直入射的波束被偏转到X-Z平面内与z轴夹角为48度角的方向上(θ＝48°和θ＝48°)。通过广义斯涅耳定律公式θ＝arcsin(λ/Γ)可计算出此异常反射角度为48度，与仿真结果吻合一致，其中λ代表自由空间波长，Γ代表一个梯度周期的长度。图9图10分别展示了相应的x极化和y极化垂直电磁波照射时的Y-Z平面和X-Z平面的电场图，可以清晰地看到，电磁场向着一个方向传播，其中电场的微小的扰动是由于之前提到的不同结构单元之间的耦合造成的。更有趣的是，当入射波的极化方向与x轴夹角45°时，垂直入射的波束会被分离并偏转到Y-Z平面和X-Z平面内与z轴夹角为48度的4个方向上，即分别为(θ＝48°；θ＝48°；θ＝48°和θ＝48°)，如图8所示。图11给出了相应的电场分布场图，其中X-Z平面对应于Ey分量，Y-Z平面对应于Ex分量。通过调整极化方向与x轴的夹角，便可以有效地调整四个波束的强度，可用于设计新型极化受控型反射阵天线。

第二个示例所采用的数字编码如下，当垂直入射电磁波极化方向沿x轴时，相应的编码序列为“010101…”；当垂直入射电磁波极化方向沿y轴时，为随机编码。整个材料由16*16个超级子单元构成，超级子单元的大小为4*4，如图13所示。图14的三维远场散射方向图显示，当入射场为x极化波时，虽然此时的编码与M1完全不同，但垂直入射的波束依旧被分离并偏转到Y-Z平面内与z轴夹角为48度角的方向上(θ＝48°和θ＝48°)，如图16中的Y-Z平面内二维远场散射方向图所示；当入射场为y极化波时，入射波束会被随机地散射到整个上半空间(z>0)，如图15所示。为了进一步定量评估此随机电磁编码超材料对y极化入射波的漫反射作用，图17给出了编码为M2的超材料在y极化入射波时的散射增益，即从编码超材料反射回来的背向散射值与从同样大小理想电导体反射回来的背向散射值的比值，可以看出从0.9到1.5THz之间，散射增益低于-10dB，说明此电磁编码超材料能够在宽频带内有效地降低金属板的背向散射，可用于缩减物体的雷达散射截面，达到隐身的目的。

以上两个示例展示了所设计的各向异性电磁编码超材料的独特的极化受控的功能，在实际应用中效率同样是很重要的参数。在这里，我们进一步评估其转换效率。首先定义转换效率如下：波束以24度倾斜角入射到金属板上时的镜像反射角方向的反射强度P1，与垂直入射到编码后的超材料上时的偏折角方向上的反射强度P2的比值，即效率E＝P2/P1。由于图12中的二维散射方向图已经是对纯金属板反射时的强度P1做过归一化后的结果，因此从这两个图中便可读出编码为M1的超材料的转换效率为0.456*2＝91.2％，这样的高效率是无法通过传统单层透射式的梯度折射率超材料获得的。

本设计采用标准光刻工艺和lift-off(剥离)工艺，具体的工艺步骤如下：首先200nm的金通过电子束蒸发沉积到2寸硅片上；随后，液态聚酰亚胺哦旋转涂覆的方式均匀地匀胶在金层之上，然后在热板上以80度、120度、180度和250度加热各加热5分钟、5分钟、5分钟和20分钟，此时聚酰亚胺已固化在金层之上；由于单次匀胶只能生成大约10微米厚的聚酰亚胺，次匀胶步骤需要重复3次以制作25微米厚聚酰亚胺层。接着利用光刻工艺将具有所需编码图案的掩膜版的图案转移到光刻胶上，随后再用电子束蒸发沉积一层10纳米的钛和200纳米的金，之后用Liff-off(剥离)工艺在丙酮中生成最终的金属图案。由于金和硅片表面的二氧化硅层的粘附性较差，整个样品可以从硅片表面直接撕下来，形成无基底的样品，具有超薄柔性的特点，可与任何曲面物体共形，扩展了本实用新型的应用范围。

需要说明，以上所述仅是本实用新型在太赫兹波段的优选实施方式，由于本设计具有单元结构设计简单并且单层金属图案的优点，同样的结构可以通过尺寸缩放而直接扩展到微波段、毫米波波段、红外以及可见光波段。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种1-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于：该材料由四种基本单元结构按照预先设计的数字编码序列在二维平面内排列而构成。

2.根据权利要求1所述的1-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，所述的四个基本单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下，其反射相位能够独立地实现2个的离散相位0度和180度，分别对应于数字态“0”和“1”。

3.根据权利要求1所述的1-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，所述的四个基本单元可分为两类：一类为各向同性结构，由正方形金属片构成，包含0/0”和“1/1”各向同性单元结构；另一类为各向异性结构，由哑铃型金属片构成，包含1/0”和“0/1”各向同性单元结构；两类结构的金属图案均印制在介质基板的一面上，另一面覆盖完整的金属背板。

4.根据权利要求1所述的1-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，其可在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下独立的实现各种功能，包括异常波束分离和随机表面散射等。