2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料及应用转让专利
申请号 : CN201510359592.0
文献号 : CN105048100B
文献日 : 2018-12-25
发明人 : 崔铁军 , 刘硕 , 周小阳 , 袁浩
申请人 : 江苏赛博空间科学技术有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种2-比特各向异性电磁编码超材料,其特征在于,包括各向同性单元结构和各向异性单元结构,所述各向同性单元结构和各向异性单元结构按照预定的规则纵横分布,使其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下对电磁波具有不同的相位响应;所述各向同性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位,所述各向异性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位;
所述各向同性单元结构包括四种结构,其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度/0度、90度/90度、180度/180度和270度/270度;
所述各向异性单元结构包括12种结构,其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度、90度、180度和270度中任意两种反射相位的组合;
其中,反射相位0度、90度、180度、270度分别对应于2-比特电磁编码00、01、10、11。
2.如权利要求1所述的2-比特各向异性电磁编码超材料,其特征在于,在x极化入射时和/或在y极化入射时,相邻的编码单元之间具有90度梯度相位差。
3.如权利要求2所述的2-比特各向异性电磁编码超材料,其特征在于,所述各向同性单元结构为方形金属片;所述各向异性单元结构为哑铃型金属片,其具有一长方形本体,该长方形本体的四角各延伸出一个直角三角形,该直角三角形的一条边与长方体本体的一边重合,邻边与长方体本体的另一边在同一直线上。
4.权利要求1至3任一项所述2-比特各向异性电磁编码超材料在全向波束扫描、波束聚焦和缩减物体的雷达散射截面积中的应用。
5.一种2-比特各向异性电磁编码超材料,其特征在于,包括若干个按照预定规则纵横排列的超级子单元,每个超级子单元由N×N个各向同性单元结构和由N×N个各向异性单元结构组成,N为正整数;所述各向同性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位,所述各向异性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位;所述各向异性电磁编码超材料在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下对电磁波具有不同的相位响应;
其中,反射相位包括0度、90度、180度、270度,其分别对应于2-比特电磁编码00、01、10、
11。
6.如权利要求5所述的2-比特各向异性电磁编码超材料,其特征在于,所述N为1、2、3或
4。
7.权利要求5或6所述2-比特各向异性电磁编码超材料在全向波束扫描、波束聚焦和缩减物体的雷达散射截面积中的应用。
说明书 :
2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料及应用
技术领域
背景技术
效媒质参数来描述。类比于模拟电路,可将其称为“模拟电磁超材料”。
其他小组又通过在二维超表面上设计更加复杂的相位分布,从而达到任意控制反射波和折
射波的目的,如涡旋波束和贝塞尔波束等;甚至可以设计随机的相位分布,使得入射波束被
随机散射到各个方向,形成漫反射,从而有效降低目标的雷达散射截面积,实现隐身。
发明内容
布,使其在x极化和y极化时对电磁波具有不同的相位响应;所述各向同性单元结构在x极化
和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位,所述各向异性单元结构在x极化
和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位。
方体本体的一边重合,邻边与长方体本体的另一边在同一直线上。
构,N为正整数;所述各向同性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现相
同的反射相位,所述各向异性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现不
同的反射相位;所述各向异性电磁编码超材料在x极化和y极化时对电磁波具有不同的相位
响应。所述N为1、2、3或4。
同的调控功能;本发明摒弃了传统采用等效媒质参数对超材料进行分析与设计的方案,采
用离散的数字编码形式来更加简洁和有效地分析和设计超材料。
附图说明
“00-01-10-11-00-01-10-11…”,垂直入射电磁波为y方向极化时为随机编码序列。
“00-01-10-11-00-01-10-11…”,垂直入射电磁波为y方向极化时为随机序列。
具体实施方式
亚胺介质层和厚度为t的正方形金属方片。图1b给出了其俯视图,其中正方形金属片长为a,
正方形介质层长为p。
形介质层长为p,哑铃状金属片的四个参数分别为h1、h2、w1和w2。
10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”,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。
向异性结构的几何参数。每行的结构在电场为Y极化入射波时的反射相位一致,每列的结构
在电场为X极化入射波时的反射相位一致。
二维矩阵:
01-10-11-00-01-10-11…’,垂直波束会被反常偏折到x-z平面内的某个角度。
单元之间电磁耦合未在设计单元结构时考虑,因此会在实际编码后的超材料中带来不可预
期的相位响应,造成性能的恶化,而引入超级子单元可以有效地降低这一影响。如图3f所
示,整个材料由32*32个超级子单元构成,每个超级子单元由2*2个相同基本单元构成。
角( θ=48°)的方向上(如图3c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( θ=48°)的方向上。
入射电磁波照射时的Y-Z平面和X-Z平面的电场分布图。从中可以清晰地看到:电磁场向着
一个方向传播,其中的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。
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3*3。当入射场为x极化
波时,根据广义斯涅耳定律公式可计算出其反常波束偏折角为30度,与图4a所示的三维远
场散射方向图结果完全吻合。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4b所示,有效地降低了金属板的背向散射,可用于缩减物体的雷达散射截
面。
射的线极化波束会被转换为圆极化波并且偏折到X-Z平面内与z轴夹角30度的方向上,如图
5a所示。从图5b的二维散射方向图可以看出所设计的反射式圆极化转换器在非偏折角度方
向上的散度幅度非常小,因此所转换的圆极化波具有高定向性和低背景噪声的特点。
的范围内,轴比小于1.15。虽然本设计最初设计的工作频率为1THz,但其仍可在一定的带宽
内工作,如图5d所示,当频率从0.8THz增长到1.2THz时,波束偏折角度从38度降低到24.5
度,轴比保持在1.26以下,其中不同频率的轴比数值均在波束最大辐射方向上读取。
10-01-00-11-10…’,垂直波束会被反常偏折到y-z平面内的另一个角度。整个材料由32*32
个超级子单元构成,超级子单元的大小为2*2。图6a和6b给出了极化为x和y时的三维远场方
向图,可以清晰的看出当极化方向为x时,垂直入射波束被偏折到Y-Z平面内与z轴夹角为48
度角( θ=48°)的方向上;当极化方向为y时,垂直入射波束被偏折到Y-Z平面内与z轴
夹角为48度角( θ=48°)的方向上。
照射时的Y-Z平面内的二维散射方向图。
方向等效为序列‘10-10-01-01-00-00-11-11-10-10-01-01-00-00-11-11-…’,垂直波束会
被反常偏折到y-z平面内的另一个角度。整个材料由16*16个超级子单元构成,超级子单元
的大小为2*2。图7a和7b给出了极化为x和y时的三维远场方向图,可以清晰的看出当极化方
向为x时,垂直入射波束被偏折到Y-Z平面内与z轴夹角为48.5度角( θ=48°)的方向
上;当极化方向为y时,垂直入射波束被偏折到Y-Z平面内与z轴夹角为22度角( θ=
22°)的方向上。
照射时的Y-Z平面内的二维散射方向图。第四和第五示例展示了所设计的2-比特电磁编码
超材料可以通过改变极化方向,使反常偏折波束在某个二维平面内从-90度到+90度任意扫
描。
塞尔波束等。相比于只采用各向同性单元作为基本单元结构的编码超材料,由于在x极化和
y极化时对电磁波具有不同的相位响应,因此当电场极化方向与x轴和y轴夹角为45度时,可
实现反射式圆极化转换器和线极化转换器等功能。所实现的器件具有定向率高、转换效率
高、低背景噪声和具有一定的带宽的特点。
波束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记为P2,其比值定义为转
换效率E=P2/P1。由于图3c和图5b中的散射方向图已经对纯金属板反射时的强度P1做过归
一化,因此从这两个图中便可读出编码为M1和M3的超材料的转换效率为76%和66%,这样
的高效率是无法利用传统单层透射式的梯度折射率超材料获得的。
化在金层之上;
的应用范围,可用作太赫兹系统中的波束偏折、波束分离、圆极化转换器和线极化转化器等
功能器件,也可用于缩减目标的雷达散射截面等应用。未来通过制作电可调的各向异性电
磁编码超表面单元结构,与FPGA等控制电路相结合,实现可编程的各向异性电磁编码超材
料,这样可以实时调控其对入射电磁波的响应。本发明结构线条设计简单,仅具有单层金属
图案,在微波频段采用印制电路板工艺即可制作;在太赫兹波段采用光刻工艺便可加工,易
于量产。
了反射波幅度相同而相位依次相差90度的四个数字态“00”、“01”、“10”和“11”,由于所设计的基本单元结构需要在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
总共有16种基本单元结构。当垂直入射的电磁波的极化方向沿x轴和y轴时,通过设计相应
的二维编码矩阵,这种各向异性编码超材料会表现出两种截然不同的功能,其中包括反常
波束反射、反常波束分离、涡旋波束、贝塞尔波束和随机表面散射等。另外,当垂直入射的电
磁波的极化方向与x轴和y轴夹角45度时,通过设计相应的编码矩阵,垂直入射的线极化波
束会被转换为圆极化波并且偏折到一个特定的角度,形成低背景噪声的反射式圆极化转换
器;同样,当改变数字编码矩阵,垂直入射的线极化波束也可会被转换为交叉线极化波并且
偏折到一个特定的角度,形成低背景噪声的反射式线极化转换器。
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。