曲折线超材料单元及利用该单元设计的聚焦超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种曲折线超材料单元及利用该单元设计的聚焦超表面，曲折线超材料单元布置在介质板上，参考波采用同轴馈电，形成平面波导，从而在介质板中形成柱面波，将入射波辐射在超表面上的磁场通过Hankel函数建立模型；基于全息的思想，需要得到参考波与虚拟聚焦点反向传播至超表面全息板所干涉形成的场分布，因此，对于虚拟聚焦点

【技术实现步骤摘要】
曲折线超材料单元及利用该单元设计的聚焦超表面
本专利技术属于通讯
，具体涉及一种曲折线超材料单元及利用该单元设计的聚焦超表面。
技术介绍
当前的电磁超表面基本上都是改变谐振单元的尺寸来实现可调控状态的，但是一种电磁超表面单元制作完成之后，只能针对某一特定频段完成特定的功能；无法针对实际应用场景的变化，实时改变其相应功能，及其不方便，不灵活。新型人工电磁超材料设计伊始阶段，通常是基于模拟大多数自然界材料的排列规则,也就是简单的周期排列序。随之研究的广泛深入，研究者们把目光转向了宏观序这类重要自由度，排列设计出具有缓变序的梯度特异介质，也就出现了刚刚提到的光学隐身、光学幻像等新生技术。近几年来,超材料从理论概念层面走到了市场应用中，让我们切实的体会到超材料的强大功能。然而，智能化需求日益增大的今天，市场对超材料提出了更高的要求，就是其在保证优异的电磁调控性能的同时还要做到操作的灵活性与便于移动性。因此，超材料的平面化—超表面问世。超表面是具有复杂宏观序的新型电磁特异性介质表面,它是由很多的小散射体或孔径组成的平面化组织，在目前很多的研究中，超表面均可达到和超材料一样的功能。然而，超表面所占据的物理空间远远小于超材料空间占比，并且由于它二维的构造能够实现低能耗，由此可见，超表面完美的实现了人们对于超材料灵活性与易操控性的期望。电磁超表面是一种通过控制波前相位、振幅以及偏振等方式调控电磁波的新兴结构，它基于广义斯涅尔定律，通过控制波前相位、振幅以及偏振进行电磁波调控的新兴结构，是具有占用空间小，损耗低，制备容易等特点的超材料结构，可以广泛应用于天线工程、智能设备制造、医疗等电磁波调控行业，发展前景广阔。电磁超表面理论上可以实现所有的电磁波相位调控，重要的是作为操控者要知道该超表面实现的电磁波调控功能对应何种相位分布。要实现期望点的电磁波聚焦或者调控，研究者要在前段做大量的数学计算，并设计馈反电路加以实现，这往往使得超表面的电磁波调控复杂起来。那么超表面只存在这一种控制方法吗？这个问题在全息成像思想中得到了解答，根据全息成像波前记录与波前重现的思想实现了超表面可调控化。电磁超表面发展至今，虽然可以实现对各种情况的幅度和相位调控，但是现有方法设计的超表面一种只能对应一种调控方式，如果要改变调控方式，需要重新设计电磁超表面。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是现有的电磁超表面无法实现实时可调控，为解决上述问题，本专利技术提供一种曲折线超材料单元及利用该单元设计的聚焦超表面。本专利技术的目的是以下述方式实现的：曲折线超材料单元，包括第一竖直线段、第二竖直线段、第三竖直线段、第一水平线段和第二水平线段，按照第一竖直线段、第一水平线段、第二竖直线段、第二水平线段和第三竖直线段的顺序依次连接，第一竖直线段上加载有第一二极管，第二水平线段上加载有第二二极管，第二竖直线段和第三竖直线段由第三二极管连通，第一二极管和第二二极管导通时，第三二极管截止；第三二极管导通时，第一二极管和第二二极管截止；第一竖直线段、第二竖直线段和第三竖直线段构成的等效电阻相同，第一水平线段和第二水平线段构成的等效电阻相同；第一竖直线段、第二竖直线段、第三竖直线段、第一水平线段和第二水平线段均由导电材料制成。所述第一竖直线段、第二竖直线段和第三竖直线段的长度相等，均为L；第一竖直线段、第二竖直线段、第三竖直线段、第一水平线段和第二水平线段的宽度相等，均为τ，第一水平线段和第二水平线段的长度相等。所述第一水平线段和第二水平线段的长度相等，均为4τ。所述L为450μm，τ＝25μm，曲折线超材料单元的谐振频率为92.5GHz。利用上述的曲折线超材料单元设计的聚焦超表面，所述曲折线超材料单元布置在介质板上，参考波采用同轴馈电，形成平面波导，从而在介质板中形成柱面波，将入射波辐射在超表面上的磁场通过Hankel函数建立模型如下：其中，k表示真空中电磁波传播的波数，λ表示为电磁波的波长；εr表示介质基板的介电常数；φ表示曲折线长轴在表面的角度，如果曲折线长轴沿着x轴，则该曲折线将会与参考波的x轴分量耦合，所以要乘以cosφ，这个时候φ＝0°，如果沿着y轴，则乘以sinφ，φ＝90°，取值范围就是0-90度，表示曲折线长轴倾斜角；是超表面上离散点的位置；基于全息的思想，需要得到参考波与虚拟聚焦点反向传播至超表面全息板所干涉形成的场分布，因此，对于虚拟聚焦点反向传播至超表面的场分布，定义如下：其中，k表示真空中电磁波传播的波数，为了在超表面上产生全息图，使得式(2)的后向传播场将从式(1)的参考波导模产生，可通过由下式定义的具有曲折线超材料单元的超表面表面上的复振幅分布来实现：其中，表示引导磁场的复共轭。所述Hankel函数是由贝塞尔函数推导出来的，具体公式如下：所述曲折线超材料单元在介质板上呈矩阵式排列。所述曲折线超材料单元为60行，每行60个，聚焦超表面的尺寸为27mm×18mm×10μm。所述介质板为硅基板。本专利技术的核心与创新所在就是曲折线超材料单元的动态可调设计。对超材料单元的动态调控思想由来已久，近年来，随着认知无线电以及计算机软件技术的发展，动态可重构技术(RRT)已经成为国内外研究团队的研究新热点。该技术的出现，就使得长久以来的硬件和软件的界限有些模糊，通过软件化的处理，硬件系统更加软件化。动态可重构的本质指的是对原系统硬件不产生大的变化，并且实现更多功能。通过加载微波电子器件或者使用机械的方法来改变超材料单元的谐振特性，即在同一物理结构体下，超材料单元的频率特性、谐振特性以及极化特性都会根据外部需求进行灵活调节，因此具有多样性和动态可控性。动态可调控技术对超材料电磁波调控影响巨大，使电磁波调控技术朝着高效可调控方向发展。超材料在调控电磁波方面具有优良的性能。若想要实现对电磁波传播进行复杂仔细的控制，理论上要求对超材料单元的介电常数、磁导率在介质板上进行一定规律排列变化，也就是选择某些特殊的数值。理论上来说，超材料媒质的每个周期单元都可以通过人为控制其谐振频率。超材料单元的电磁特性一般由其结构特征所决定，根据传输线的理论任何结构的超材料单元均可化为由电容、电感以及电阻组成的等效电路。在其模型中，等效电容与电感决定了超材料单元的谐振频率，因此，可以通过改变电感和电容值实现对谐振频率的实时调节。基于以上思想，研究者已提出多种有效方法实现了超材料单元的实时动态可调控，主流调节方式有结构调节(机械式调节)、基体调节(可控材料式调节)以及加载集总元件(开关式调节)等实时可调控技术。结构调节，也就是机械式调节，这种调节方式一般会采用外加机械结构来实现，比如微机电系统等。总体来说，机械调节式可控超材料元件虽然结构上来说比较容易实现，但是该结构需要精确且复杂的操控系统，这种情况就导致附加装置体积过于庞大，并存在无法频繁移动、调控时器件响应时间长等一系列问题，因此此方法不是实现动态可控超材料器件的理想方法。基于以上弊端，机械式调控并不适合该论文的超材料器件的动态调控。基体调节，理论研究指出改变超材料介质层的介电常数、磁导率和厚度，就可以调节超材料的电磁参数和谐振频率。若将超材料的介质层设定为可控的介质材料，那么只要调控外界激励信号就可以改变介质层的介电常数，从而实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.曲折线超材料单元，其特征在于：包括第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)、第三竖直线段(3)、第一水平线段(4)和第二水平线段(5)，按照第一竖直线段(1)、第一水平线段(4)、第二竖直线段(2)、第二水平线段(5)和第三竖直线段(3)的顺序依次连接，第一竖直线段(1)上加载有第一二极管(6)，第二水平线段(5)上加载有第二二极管(7)，第二竖直线段(2)和第三竖直线段(3)由第三二极管(8)连通，第一二极管(6)和第二二极管(7)导通时，第三二极管(8)截止；第三二极管(8)导通时，第一二极管(6)和第二二极管(7)截止；第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)和第三竖直线段(3)构成的等效电阻相同，第一水平线段(4)和第二水平线段(5)构成的等效电阻相同；第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)、第三竖直线段(3)、第一水平线段(4)和第二水平线段(5)均由导电材料制成。

【技术特征摘要】
1.曲折线超材料单元，其特征在于：包括第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)、第三竖直线段(3)、第一水平线段(4)和第二水平线段(5)，按照第一竖直线段(1)、第一水平线段(4)、第二竖直线段(2)、第二水平线段(5)和第三竖直线段(3)的顺序依次连接，第一竖直线段(1)上加载有第一二极管(6)，第二水平线段(5)上加载有第二二极管(7)，第二竖直线段(2)和第三竖直线段(3)由第三二极管(8)连通，第一二极管(6)和第二二极管(7)导通时，第三二极管(8)截止；第三二极管(8)导通时，第一二极管(6)和第二二极管(7)截止；第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)和第三竖直线段(3)构成的等效电阻相同，第一水平线段(4)和第二水平线段(5)构成的等效电阻相同；第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)、第三竖直线段(3)、第一水平线段(4)和第二水平线段(5)均由导电材料制成。2.根据权利要求1所述的曲折线超材料单元，其特征在于：所述第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)和第三竖直线段(3)的长度相等，均为L；第一竖直线段(1)、第二竖直线段(2)、第三竖直线段(3)、第一水平线段(4)和第二水平线段(5)的宽度相等，均为τ，第一水平线段(4)和第二水平线段(5)的长度相等。3.根据权利要求2所述的曲折线超材料单元，其特征在于：所述第一水平线段(4)和第二水平线段(5)的长度相等，均为4τ。4.根据权利要求2所述的曲折线超材料单元，其特征在于：所述L为450μm，τ＝25μm，曲折线超材料单元的谐振频率为92.5G...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗文宇，陆桂明，许丽，邵霞，刘河潮，刘雨，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41