具有非对称传输特性的手性超材料结构及设计方法技术

本发明专利技术涉及一种具有非对称传输特性的手性超材料结构及设计方法，该结构在21.65GHz处对线性极化波的非对称传输系数最大达到0.8562，结构的极化转换率在21‑29GHz频段内保持在80％以上，最高可达到99.75％，说明该结构具有良好的非对称传输特性及极化转换特性。通过改变表层金属与底层金属的旋转角度，实现对线性极化波以及圆极化波的非对称传输现象的动态调控。随着旋转角度的改变，该结构对线性极化波以及圆极化波的非对称传输现象从微弱到强烈动态变化。当表层金属逆时针旋转15°，底层金属逆时针旋转45°时，该结构在21GHz对线性极化波的非对称传输系数最高达到0.5，同时在24.5GHz对圆极化波的非对称传输系数最高达到0.66，此时该结构对线性极化波及圆极化波同时产生了非对称传输现象。

【技术实现步骤摘要】
具有非对称传输特性的手性超材料结构及设计方法
本专利技术属于电磁波传输控制领域，具体涉及一种具有良好非对称传输特性且同时具有可调性及多功能性的手性超材料及设计方法。
技术介绍
基于超材料电磁耦合特性的手性电磁超材料结构具有良好的非对称传输特性。对于不同的设计目标，通过设计不同的手性超材料构型或调节关键参数来改变整体结构的非对称传输特性，从而使手性超材料能够应用与各个频段，使其在极化转换器，光电二极管等领域具有重要的应用价值。中国专利CN104600434A《具有非对称传输特性的双L型手征超材料的微单元结构》通过在介质基板上表面及下表面分别刻蚀尺寸大小的L型金属片得到一种手征超材料结构，用于实现对线性极化波的非对称传输现象。但是该专利提出的超材料结构在设计上具有盲目性，并且该结构没有对圆极化波产生非对称传输现象，功能较为单一。文献“JiW,CaiT,WangB,WangG.G,etal.High-efficiencyandultra-broadbandasymmetrictransmissionmetasurfacebasedontopologicallycodingoptimizationmethod[J].OpticsExpress,2019,27(3):2844-2854”公开了一种具有宽频带非对称传输现象的超表面。该文献利用拓扑编码优化的方法，对超表面结构进行拓扑优化设计，优化后的超材料非对称传输系数高于0.6的频段相对带宽提高到了60％，但是该文献是在原有结构的基础上只对中间层金属结构进行拓扑优化设计，该设计方法没有完全克服设计的盲目性，并且经过优化并没有显著提升超表面结构的非对称传输系数。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：为克服现有手性超材料结构的设计盲目性,避免现有技术的不足之处，本专利技术提供了一种手性超材料结构及设计方法，结合数值仿真手段和拓扑优化设计技术,设计出具有良好非对称传输特性、极化转换特性以及可调谐、多功能的手性超材料结构。本专利技术的技术方案是：具有非对称传输特性的手性超材料结构，包括若干相同的单胞结构；所述单胞结构包括介质基板、表层人工金属结构和底层人工金属结构；表层人工金属结构位于介质基板上表面，底层人工金属结构位于介质基板下表面；表层人工金属结构和底层人工金属结构均包括两个L形变体金属片，且初始状态时两个L形变体金属片“1”字型和“一”首尾相对不接触；表层人工金属结构的其中一个L形变体金属片沿中心旋转180°后与另一个L形变体金属片重合；底层人工金属结构由表层人工金属结构经过与中心轴相互垂直的方向旋转90°得到。本专利技术进一步的技术方案是：所述介质基板采用RogersRO4350材料。本专利技术进一步的技术方案是：所述介质基板厚度d的取值范围为0.8mm≤d≤1.2mm。本专利技术进一步的技术方案是：所述表层人工金属结构厚度t1取值范围为0.024mm≤t1,t2≤0.048mm。本专利技术进一步的技术方案是：所述底层人工金属结构的厚度t2的取值范围为0.024mm≤t1,t2≤0.048mm。本专利技术进一步的技术方案是：所述的一种具有非对称传输特性的手性超材料结构的设计方法，包括以下步骤：步骤1：根据设计需要确定介质基板的材料和尺寸以及具有周期构型的人工金属结构的材料和尺寸；采用CST电磁仿真软件计算得到与电磁波频率相关的线性极化波的交叉极化透射系数：Txy和Tyx；计算整个结构对线性极化波的非对称传输系数：其中，x表示线性极化波的极化方向沿x方向，y表示线性极化波的极化方向沿y方向；步骤2：定义单胞结构的初始设计域，包括以下子步骤：步骤2.1：根据步骤1确定好介质基板及两层人工金属结构的材料和尺寸，由于整体结构具有周期性，故针对其单胞结构进行拓扑优化设计；定义每个单胞是边长为a的正方形区域，其中人工金属结构的设计区域是边长为b的正方形区域，c为相邻单元的间距，且a-b＝c；步骤2.2：将b区域离散为n×n的正方形小方格，则表层人工金属结构和底层人工金属结构的小方格总数即为设计变量；将表层设计域沿中心轴方向平分为两个部分，且这两个部分以中心轴进行180°对称旋转，底层设计域经表层设计域绕空间分别旋转90°得到，则表层及底层设计域共分为四个部分，且四个部分对应小方格的金属材料分布相同，即设计变量的取值相等；步骤2.3小方格具有固定的编号，在平面上具有固定的位置，其中四个部分中相同编号的方格具有相同的材料属性，进行合并同类项；合并后，变为m个设计变量；步骤3：由步骤2确定好初始设计域后，根据步骤1得到的非对称传输系数的表达式，设计单胞结构的优化模型为：maxA(x1，x2，...，x18)＝||Tyx|2-|Txy|2|s.t.xi＝0or1，12≤ω≤30Gz设计变量xi表示材料属性，i＝1，2，...，n；金属以1表示，空气以0表示，则将材料分布问题转化为小方格取值为0或1进行优化；步骤4：根据步骤3确定好单胞结构的优化模型后，开始按照优化模型进行拓扑优化设计过程；采用有限元积分法建立初始结构的等效电磁模型，运用CST电磁仿真软件分析得到对应的交叉极化透射系数：Txy和Tyx，通过交叉极化透射系数计算出当前结构的非对称传输系数：根据步骤3确定好的优化模型，以单元区域的材料取值为设计变量，以非对称传输系数的绝对值为优化目标函数，利用遗传算法进行基于材料分布的拓扑优化设计，最终能够得到具有良好非对称传输现象的手性超材料单胞结构。专利技术效果本专利技术的技术效果在于：本专利技术提出的一种具有良好非对称传输特性的手性超材料结构及设计方法，通过采用本方法设计出由不同材料分布组成的具有旋转对称性的双L变体型手性超材料结构，该结构在21.65GHz处对线性极化波的非对称传输系数最大达到0.8562，同时该结构的极化转换率在21-29GHz频段内保持在80％以上，最高可达到99.75％，说明该结构具有良好的非对称传输特性及极化转换特性。电磁波入射时表层金属与底层金属均产生表面电流，导致电磁波发生极化转换，由于线性极化波正向入射与反向入射时金属层产生的谐振模式不一致，所以该结构对线性极化波具有非对称传输特性。通过改变表层金属与底层金属的旋转角度，实现了对线性极化波以及圆极化波的非对称传输现象的动态调控。随着旋转角度的改变，该结构对线性极化波以及圆极化波的非对称传输现象从微弱到强烈动态变化，并且，当表层金属逆时针旋转15°，底层金属逆时针旋转45°时，该结构在21GHz对线性极化波的非对称传输系数最高达到0.5，同时在24.5GHz对圆极化波的非对称传输系数最高达到0.66，此时该结构对线性极化波及圆极化波同时产生了非对称传输现象。附图说明图1：本专利技术双L变体型手性超材料的结构示意图1-介质基板；2-表层周期性构型的金属材料；3-底层周期性构型的金属材料图2：单胞结构设计的初始设计域图3：双L变体型手性超材料实施例的结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有非对称传输特性的手性超材料结构，其特征在于，包括若干相同的单胞结构；所述单胞结构包括介质基板(1)、表层人工金属结构(2)和底层人工金属结构(3)；表层人工金属结构(2)位于介质基板(1)上表面，底层人工金属结构(3)位于介质基板(1)下表面；表层人工金属结构(2)和底层人工金属结构(3)均包括两个L形变体金属片，且初始状态时两个L形变体金属片“1”字型和“一”首尾相对不接触；表层人工金属结构(2)的其中一个L形变体金属片沿中心旋转180°后与另一个L形变体金属片重合；底层人工金属结构(3)由表层人工金属结构(2)经过与中心轴相互垂直的方向旋转90°得到。/n

【技术特征摘要】
1.具有非对称传输特性的手性超材料结构，其特征在于，包括若干相同的单胞结构；所述单胞结构包括介质基板(1)、表层人工金属结构(2)和底层人工金属结构(3)；表层人工金属结构(2)位于介质基板(1)上表面，底层人工金属结构(3)位于介质基板(1)下表面；表层人工金属结构(2)和底层人工金属结构(3)均包括两个L形变体金属片，且初始状态时两个L形变体金属片“1”字型和“一”首尾相对不接触；表层人工金属结构(2)的其中一个L形变体金属片沿中心旋转180°后与另一个L形变体金属片重合；底层人工金属结构(3)由表层人工金属结构(2)经过与中心轴相互垂直的方向旋转90°得到。


2.如权利要求1所述的具有非对称传输特性的手性超材料结构，其特征在于，所述介质基板(1)采用RogersRO4350材料。


3.如权利要求1所述的具有非对称传输特性的手性超材料结构，其特征在于，所述介质基板(1)厚度d的取值范围为0.8mm≤d≤1.2mm。


4.如权利要求1所述的具有非对称传输特性的手性超材料结构，其特征在于，所述表层人工金属结构(2)厚度t1取值范围为0.024mm≤t1,t2≤0.048mm。


5.如权利要求1所述的具有非对称传输特性的手性超材料结构，其特征在于，所述底层人工金属结构(3)的厚度t2的取值范围为0.024mm≤t1,t2≤0.048mm。


6.基于权利要求1所述的一种具有非对称传输特性的手性超材料结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据设计需要确定介质基板(1)的材料和尺寸以及具有周期构型的人工金属结构的材料和尺寸；采用CST电磁仿真软件计算得到与电磁波频率相关的线性极化波的交叉极化透射系数：Txy和Tyx；计算整个结构对线性极化波的非对称传输系数：其中，x表示线性极化波的极化方向沿x方向，y表示线性极化波的极化方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱克鹏，骆越，张卫红，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61