一种极化受控的空间波转表面波功能器件制造技术

本发明专利技术提出了一种极化受控的空间波转表面波功能器件，该器件由一种2‑比特各向异性电磁编码超表面构成，通过将各向异性数字单元按照预先设定的各向异性编码排列在二维平面上，就形成了极化受控型的空间波转表面波功能器件。由于每个单元在x极化和y极化时拥有独立的相位响应，使得此器件在两个极化互相垂直的入射波照射下具有不同的功能，可用于将x极化和y极化垂直入射波转换为表面波并导向不同的方向；或者将x极化入射波转为表面波，而将y极化入射波反射到空间任意方向。本发明专利技术具有超薄、低剖面和高效率的优点，在实际应用中具有更强的适用范围和更大的设计自由度。

【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，尤其涉及一种工作在微波段的极化受控型的空间波转表面波功能器件。
技术介绍
新型人工电磁材料，亦称电磁超表面(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期或非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超表面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。电磁超表面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，该定理是描述超表面电磁特性的基本定律，考虑了电磁波在超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异常折射行为。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。复旦大学的周磊教授从等效感应电流的角度，分析了电磁波在反射型新型人工电磁表面上产生的反射相位突变，他们通过将表面相位梯度周期缩小至一个周期以内，设计了一个高效率的空间波到表面波的转换器件。以上提到的超表面的单元都是各向同性的结构，即设计好的超表面的对于任意极化的入射电磁波都具有相同的功能，不能随入射电磁波的极化改变而发生变化，而复旦大学周磊教授所提出的基于H型金属结构的空间波转表面波器件也只能针对一个极化方向，而对另一个极化的入射波无效。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供了一种工作在微波段的极化受控型的空间波转表面波功能器件，通过设计相应的各向异性编码矩阵，将2-比特各向异性编码单元按照此编码矩阵排列在二维平面上，其便可将x极化和y极化的垂直入射电磁波转换为表面波，并分别导向不同方向；或者可以将x极化垂直入射电磁波转换为表面波，而将y极化垂直入射电磁波反射到空间任意方向上。为了实现上述功能，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：一种极化受控的空间波转表面波功能器件，该器件由一种2-比特各向异性电磁编码超表面构成，通过将各向异性数字单元按照预先设定的各向异性编码排列在二维平面上，便可将垂直入射的电磁波转为表面波，并且可将x极化和y极化分量的电磁波导向不同的方向；或可将x极化入射波转为表面波，而将y极化入射波反射到空间任意方向。进一步的，所组成的各向异性单元结构主要由三层结构构成，从上至下依次是椭圆形/圆形金属结构、环氧树脂(以下简称FR4)介质层和金属背板。进一步的，通过改变单元结构中上层结构的几何参数，包括圆的半径r和压缩比例k，此各向异性单元结构可以独立地将x极化和y极化的垂直入射电磁波以4个离散相位值0°、90°、180°和270°反射，分别对应于数字态“00”、“01”、“10”和“11”。进一步的，所述的各向异性单元结构包括4个各向同性结构和12个各向异性结构，4个各向同性结构的数字态为“00/00”、“01/01”、“10/10”和“11/11”；12个各向异性结构的数字态为“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“/”符号之前和之后的数字态分别对应x极化和y极化垂直入射电磁波照射时的数字态响应。与现有技术相比，本专利技术的优势在于：1、本专利技术所提出的一种的空间波转表面波的器件，与传统空间波转表面波的常用器件相比(如棱镜、电偶极子天线)，具有超薄、低剖面和高效率的优点。2、本专利技术与复旦大学周磊教授所提出的基于H型金属结构的空间波转表面波器件相比，具有同时支持x极化和y极化的优势，并且可以将x极化和y极化电磁波分别独立地转换为表面波或者空间波，并导向不同的方向，因此在实际应用中具有更强的适用范围和更大的设计自由度。3、本专利技术摒弃了传统采用等效媒质参数对超表面及各种相应器件进行分析与设计的方案，采用离散的各向异性编码的形式来更加简洁和有效地分析和设计空间波转表面波功能器件。4、本专利技术巧妙的采用一种圆形/椭圆形的编码单元结构。结构简单易于设计，相比于各向同性的编码超表面，具有更大的设计灵活度，即在改变入射波极化方向时，所转换的表面波或反射的空间波可被导向不同的方向，且x和极化和y极化下的功能具有很高的隔离度。5、本专利技术的金属结构的图形简单，在微波频段采用常规的印制电路板工艺即可制作，并且通过标准光刻流程或电子束曝光，可轻易扩展至太赫兹、红外及光波段。附图说明图1为为本专利技术的功能示意图。图2为构成本专利技术功能器件的编码单元结构的示意图，主要由三部分组成，从上至下依次是椭圆形/圆形金属结构、FR4介质层和金属背板；上层的金属结构为椭圆形或圆形的金属结构，厚度d＝0.018mm；中间的介质层材料为FR4介质板(介电常数＝4.3，损耗角正切为0.03)，厚度d＝2mm，单元周期长度L＝6mm；介质板的背面覆盖一层铜来保证零透射。图3为16个各向异性编码单元在x极化和y极化入射电磁波照射下所对应的反射相位分布图。图4是当编码矩阵为M1，频率为10GHz时，此器件以及两侧的介质板表面的数值仿真的电场近场分布图；图4-(a)为x极化电磁波垂直入射时的情况；图4-(b)为y极化电磁波垂直入射时的情况。图5是当编码矩阵为M2，频率为10GHz时，此器件以及两侧的介质板表面的数值仿真的电场近场分布图，以及远场散射方向图；图5-(a)为x极化电磁波垂直入射时的电场近场分布图；图5-(b)为y极化电磁波垂直入射时的远场散射方向图。图6是编码矩阵为M1时的编码图案，总共有64×64个编码单元。图7是编码矩阵为M2时的编码图案，总共有64×64个编码单元。具体实施方式构成本专利技术的编码单元结构，是由各向同性的圆形结构和各向异性的椭圆形结构两大部分组成，其结构简单，易于设计和加工。其生成的步骤可分为两步：首先生成一个半径为r的圆盘，然后将圆盘沿着x轴或者y轴以压缩比例(scalingratio)k进行压缩，压缩后，短轴和长轴的比例为k。当压缩比k等于1时，为圆形，呈现各向同性的特性，即对x极化和y极化电磁波表现出相同的反射相位；而当压缩比不等于1时，为椭圆形，呈现各向异性的特性，即对x极化和y极化电磁波呈现不同的反射相位。所设计的2-比特各向异性单元结构在x极化或者y极化垂直入射电磁波的照射下呈现出反射相位0°、90°、180°和270°，分别对应于数字态“00”、“01”、“10”和“11”。为了方便表示各向异性单元结构在x极化和y极化下的数字态，我们将每一个单元结构命名为“s/s”的形式，其中斜杠前者为x极化时的数字态，斜杠后者为y极化时的数字态。因此通过排列组合，总共有“00/00”、“01/01”、“10/10”、“11/11”、“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种极化受控的空间波转表面波功能器件，其特征在于：该器件由一种2‑比特各向异性电磁编码超表面构成，通过将各向异性数字单元按照预先设定的各向异性编码排列在二维平面上，便可将垂直入射的电磁波转为表面波，并且可将x极化和y极化分量的电磁波导向不同的方向；或可将x极化入射波转为表面波，而将y极化入射波反射到空间任意方向。

【技术特征摘要】
1.一种极化受控的空间波转表面波功能器件，其特征在于：该器件由一种2-比特各向异性电磁编码超表面构成，通过将各向异性数字单元按照预先设定的各向异性编码排列在二维平面上，便可将垂直入射的电磁波转为表面波，并且可将x极化和y极化分量的电磁波导向不同的方向；或可将x极化入射波转为表面波，而将y极化入射波反射到空间任意方向。2.根据权利要求1所述一种极化受控的空间波转表面波功能器件，其特征在于，所组成的各向异性单元结构主要由三层结构构成，从上至下依次是椭圆形/圆形金属结构、环氧树脂介质层和金属背板。3.根据权利要求1所述一种极化受控的空间波转表面波功能器件，其特征在于，通过改变单元结构中上层结构的几何参数，包括圆的半径r和压缩比例k，此各向异性单元结构可以独立地将x极化和y极化的垂直...

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