一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料及基本单元结构和设计方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料及基本单元结构和设计方法，包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上；所述基本单元结构包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。本发明专利技术具有单层结构、易于加工等优点，可用于制作波束偏折、极化转换器等器件，也可用于缩减目标的雷达散射截面等应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种在微波段的极化可控的各向异性电磁编码超材料。
技术介绍
新型人工电磁材料，亦称电磁超材料(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是它们对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振系统与外加电磁场的相互作用来体现的。电磁超材料从媒质的角度定义了电磁波的行为，为微波器件的设计提供了新的思路和方法。Capasso等人在2011年提出了广义斯涅尔定律，该定理是描述超材料表面电磁特性的基本定律，考虑了电磁波在超材料表面反射或者透射时产生的相位不连续性以及随之产生的异常反射和折射行为。人们可以设计人工表面结构来人为控制这种相位不连续性，进而可以利用二维超表面调控空间传播波。达到任意控制反射波和折射波的目的。实现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。以上提到的超材料的单元都是各向同性的结构，即设计好的超材料的功能就是固定并且唯一的，不能随入射电磁波的极化改变而发生变化。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料及基本单元结构，通过设计特定的数字编码矩阵并将其对应地赋予材料中的每个基本单元，其便可在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，如反常反射、反常折射、涡旋波束和贝塞尔波束等功能。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的基本单元结构，包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上；所述基本单元结构包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。优选的：所述基本单元结构共有16种基本单元结构，16种基本单元结构对应16个不同相位数字态编码；基本单元结构包括有四种反射相位，四种反射相位对应四种数字态响应。优选的：四种数字态响应分别为“00”、“01”、“10”和“11”，这四种数字态响应分别对应的四种反射相位为0度、90度、180度和270度；16个相位数字态编码为“00/00”、“01/01”、“10/10”、“11/11”、“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”，其中，/为斜线，用于表示各向异性编码状态分开标志，斜线前的数字表示x极化下的反射相位数字态，斜线后的数字表示y极化下的反射相位数字态。优选的：所述介质板层的厚度d为1.5-2.5mm，介电常数为4.2-4.4，损耗角正切为0.02-0.04；优选的：基本单元结构的单元周期长度L为5-7mm。优选的：16种基本单元结构的几何参数如下：优选的：所述全反射零透射层通过在介质板层的背面覆盖一层铜形成。一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的设计方法，通过调节椭圆形金属层的长轴半径和比例因子，得到每一个基本单元结构可以在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下独立地产生四种数字态响应，这四种数字态响应对应四种反射相位，根据四种数字态响应进而得到16个不同相位数字态编码，这16个不同相位数字态编码对应16种基本单元结构，将得到的基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上。有益效果：本专利技术提供的一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料及基本单元结构，相比现有技术，具有以下有益效果：1.本专利技术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。2.本专利技术巧妙的利用一种椭圆形的基本单元结构。结构简单，但是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，能够具有更大的设计灵活度，具体表现在本专利技术能够在更改入射波极化方向时对微波段的电磁波具有不同的调控功能。3.本专利技术可通过赋予超材料不同的编码矩阵，使其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下独立地呈现出不同的功能，如反常反射、反常折射、涡旋波束和贝塞尔波束等。所实现的器件具有定向率高，转换效率高的特点。4.本专利技术结构线条设计简单，仅具有单层金属图案，在微波频段采用常规的印制电路板工艺即可制作。附图说明图1为1-比特的8x8各向异性编码超表面在编码矩阵[1/1，1/0；0/1/0/0]下的原理图。图2为本专利技术的基本单元结构的模型图。图3为16个编码单元在x极化和y极化入射电磁波下所对应的反射相位。图4是当编码矩阵为M1，频率为10GHz时这种超表面的数值仿真的远场散射方向图；图4(a)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；(b)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；图4(c)垂直入射波电场极化方向沿x轴时的y-z平面二维远场散射方向图；图4(d)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的x-z平面二维远场散射方向图。图5是当编码矩阵为M1，频率为10GHz时这种超表面的数值仿真电场分布；图5(a)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；图5(b)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。图6是当编码矩阵为M2时这种超表面的数值仿真的远场散射方向图；图6(a)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；图6(b)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；图6(c)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；图6(d)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；图6(e)垂直入射波电场极化方向沿y轴时的x-z二维远场散射方向图；图6(f)为在随机序列情况下背向散射方向和30°镜像反射方向的雷达散射截面的缩减。图7是编码矩阵为M1时的图案。图8是编码矩阵为M2时的图案。图9为基本单元结构的结构示意图，其中图9(a)为基本单元结构的正视图，图9(b)为图9(a)的A-A向剖视图。其中，1为介质板层，2为椭圆形金属层，3为全反射零透射层。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的基本单元结构，如图2、9所示，包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，如图2、9所示，包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的基本单元结构，其特征在于：包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。

【技术特征摘要】
1.一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料的基本单元结构，其特征在于：包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。2.一种应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上；所述基本单元结构包括依次设置的椭圆形金属层、介质板层以及全反射零透射层。3.根据权利要求1或2所述的应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：所述基本单元结构共有16种基本单元结构，16种基本单元结构对应16个不同相位数字态编码；基本单元结构包括有四种反射相位，四种反射相位对应四种数字态响应。4.根据权利要求3所述的应用于微波段的双功能各向异性电磁编码超材料，其特征在于：四种数字态响应分别为“00”、“01”、“10”和“11”，这四种数字态响应分别对应的四种反射相位为0度、90度、180度和270度；16个相位数字态编码为“00/00”、“01/01”、“10/10”、“11/11”、“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔铁军，刘硕，张磊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32