本發(fā)明涉及一種新型人工電磁材料，尤其涉及一種工作在微波段的極化受控型的空間波轉(zhuǎn)表面波功能器件。

背景技術(shù)：

新型人工電磁材料，亦稱電磁超表面(Metamaterials)，是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期或非周期性地排列，或者植入到基體材料體內(nèi)(或表面)所構(gòu)成的一種人工材料。電磁超表面和傳統(tǒng)意義材料的區(qū)別在于用宏觀尺寸單元代替了原來微觀尺寸單元(原子或分子)。盡管二者的單元尺寸相差很大，但是它們對外加電磁波的響應(yīng)都是通過基本單元諧振系統(tǒng)與外加電磁場的相互作用來體現(xiàn)的。電磁超表面從媒質(zhì)的角度定義了電磁波的行為，為微波器件的設(shè)計提供了新的思路和方法。

Capasso等人在2011年提出了廣義斯涅爾定律，該定理是描述超表面電磁特性的基本定律，考慮了電磁波在超表面反射或者透射時產(chǎn)生的相位不連續(xù)性以及隨之產(chǎn)生的異常反射和異常折射行為。人們可以設(shè)計人工表面結(jié)構(gòu)來人為控制這種相位不連續(xù)性，進而可以利用二維超表面調(diào)控空間波。達到任意控制反射波和折射波的目的。實現(xiàn)如渦旋波束和貝塞爾波束等，甚至可以設(shè)計隨機的相位分布，使得入射波束被隨機散射到各個方向，形成漫反射，從而有效降低目標的雷達散射截面積，實現(xiàn)隱身。復(fù)旦大學(xué)的周磊教授從等效感應(yīng)電流的角度，分析了電磁波在反射型新型人工電磁表面上產(chǎn)生的反射相位突變，他們通過將表面相位梯度周期縮小至一個周期以內(nèi)，設(shè)計了一個高效率的空間波到表面波的轉(zhuǎn)換器件。

以上提到的超表面的單元都是各向同性的結(jié)構(gòu)，即設(shè)計好的超表面的對于任意極化的入射電磁波都具有相同的功能，不能隨入射電磁波的極化改變而發(fā)生變化，而復(fù)旦大學(xué)周磊教授所提出的基于H型金屬結(jié)構(gòu)的空間波轉(zhuǎn)表面波器件也只能針對一個極化方向，而對另一個極化的入射波無效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明提供了一種工作在微波段的極化受控型的空間波轉(zhuǎn)表面波功能器件，通過設(shè)計相應(yīng)的各向異性編碼矩陣，將2-比特各向異性編碼單元按照此編碼矩陣排列在二維平面上，其便可將x極化和y極化的垂直入射電磁波轉(zhuǎn)換為表面波，并分別導(dǎo)向不同方向；或者可以將x極化垂直入射電磁波轉(zhuǎn)換為表面波，而將y極化垂直入射電磁波反射到空間任意方向上。

為了實現(xiàn)上述功能，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種極化受控的空間波轉(zhuǎn)表面波功能器件，該器件由一種2-比特各向異性電磁編碼超表面構(gòu)成，通過將各向異性數(shù)字單元按照預(yù)先設(shè)定的各向異性編碼排列在二維平面上，便可將垂直入射的電磁波轉(zhuǎn)為表面波，并且可將x極化和y極化分量的電磁波導(dǎo)向不同的方向；或可將x極化入射波轉(zhuǎn)為表面波，而將y極化入射波反射到空間任意方向。

進一步的，所組成的各向異性單元結(jié)構(gòu)主要由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，從上至下依次是橢圓形/圓形金屬結(jié)構(gòu)、環(huán)氧樹脂(以下簡稱FR4)介質(zhì)層和金屬背板。

進一步的，通過改變單元結(jié)構(gòu)中上層結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，包括圓的半徑r和壓縮比例k，此各向異性單元結(jié)構(gòu)可以獨立地將x極化和y極化的垂直入射電磁波以4個離散相位值0°、90°、180°和270°反射，分別對應(yīng)于數(shù)字態(tài)“00”、“01”、“10”和“11”。

進一步的，所述的各向異性單元結(jié)構(gòu)包括4個各向同性結(jié)構(gòu)和12個各向異性結(jié)構(gòu)，4個各向同性結(jié)構(gòu)的數(shù)字態(tài)為“00/00”、“01/01”、“10/10”和“11/11”；12個各向異性結(jié)構(gòu)的數(shù)字態(tài)為“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“/”符號之前和之后的數(shù)字態(tài)分別對應(yīng)x極化和y極化垂直入射電磁波照射時的數(shù)字態(tài)響應(yīng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

1、本發(fā)明所提出的一種的空間波轉(zhuǎn)表面波的器件，與傳統(tǒng)空間波轉(zhuǎn)表面波的常用器件相比(如棱鏡、電偶極子天線)，具有超薄、低剖面和高效率的優(yōu)點。

2、本發(fā)明與復(fù)旦大學(xué)周磊教授所提出的基于H型金屬結(jié)構(gòu)的空間波轉(zhuǎn)表面波器件相比，具有同時支持x極化和y極化的優(yōu)勢，并且可以將x極化和y極化電磁波分別獨立地轉(zhuǎn)換為表面波或者空間波，并導(dǎo)向不同的方向，因此在實際應(yīng)用中具有更強的適用范圍和更大的設(shè)計自由度。

3、本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)采用等效媒質(zhì)參數(shù)對超表面及各種相應(yīng)器件進行分析與設(shè)計的方案，采用離散的各向異性編碼的形式來更加簡潔和有效地分析和設(shè)計空間波轉(zhuǎn)表面波功能器件。

4、本發(fā)明巧妙的采用一種圓形/橢圓形的編碼單元結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡單易于設(shè)計，相比于各向同性的編碼超表面，具有更大的設(shè)計靈活度，即在改變?nèi)肷洳O化方向時，所轉(zhuǎn)換的表面波或反射的空間波可被導(dǎo)向不同的方向，且x和極化和y極化下的功能具有很高的隔離度。

5、本發(fā)明的金屬結(jié)構(gòu)的圖形簡單，在微波頻段采用常規(guī)的印制電路板工藝即可制作，并且通過標準光刻流程或電子束曝光，可輕易擴展至太赫茲、紅外及光波段。

附圖說明

圖1為為本發(fā)明的功能示意圖。

圖2為構(gòu)成本發(fā)明功能器件的編碼單元結(jié)構(gòu)的示意圖，主要由三部分組成，從上至下依次是橢圓形/圓形金屬結(jié)構(gòu)、FR4介質(zhì)層和金屬背板；上層的金屬結(jié)構(gòu)為橢圓形或圓形的金屬結(jié)構(gòu)，厚度d＝0.018mm；中間的介質(zhì)層材料為FR4介質(zhì)板(介電常數(shù)＝4.3，損耗角正切為0.03)，厚度d＝2mm，單元周期長度L＝6mm；介質(zhì)板的背面覆蓋一層銅來保證零透射。

圖3為16個各向異性編碼單元在x極化和y極化入射電磁波照射下所對應(yīng)的反射相位分布圖。

圖4是當編碼矩陣為M₁，頻率為10GHz時，此器件以及兩側(cè)的介質(zhì)板表面的數(shù)值仿真的電場近場分布圖；圖4-(a)為x極化電磁波垂直入射時的情況；圖4-(b)為y極化電磁波垂直入射時的情況。

圖5是當編碼矩陣為M₂，頻率為10GHz時，此器件以及兩側(cè)的介質(zhì)板表面的數(shù)值仿真的電場近場分布圖，以及遠場散射方向圖；圖5-(a)為x極化電磁波垂直入射時的電場近場分布圖；圖5-(b)為y極化電磁波垂直入射時的遠場散射方向圖。

圖6是編碼矩陣為M₁時的編碼圖案，總共有64×64個編碼單元。

圖7是編碼矩陣為M₂時的編碼圖案，總共有64×64個編碼單元。

具體實施方式

構(gòu)成本發(fā)明的編碼單元結(jié)構(gòu)，是由各向同性的圓形結(jié)構(gòu)和各向異性的橢圓形結(jié)構(gòu)兩大部分組成，其結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計和加工。其生成的步驟可分為兩步：首先生成一個半徑為r的圓盤，然后將圓盤沿著x軸或者y軸以壓縮比例(scaling ratio)k進行壓縮，壓縮后，短軸和長軸的比例為k。當壓縮比k等于1時，為圓形，呈現(xiàn)各向同性的特性，即對x極化和y極化電磁波表現(xiàn)出相同的反射相位；而當壓縮比不等于1時，為橢圓形，呈現(xiàn)各向異性的特性，即對x極化和y極化電磁波呈現(xiàn)不同的反射相位。所設(shè)計的2-比特各向異性單元結(jié)構(gòu)在x極化或者y極化垂直入射電磁波的照射下呈現(xiàn)出反射相位0°、90°、180°和270°，分別對應(yīng)于數(shù)字態(tài)“00”、“01”、“10”和“11”。為了方便表示各向異性單元結(jié)構(gòu)在x極化和y極化下的數(shù)字態(tài)，我們將每一個單元結(jié)構(gòu)命名為“s/s”的形式，其中斜杠前者為x極化時的數(shù)字態(tài)，斜杠后者為y極化時的數(shù)字態(tài)。因此通過排列組合，總共有“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”十六種不同的各向異性數(shù)字態(tài)。

將這些在x極化和y極化垂直入射電磁波照射下具有不同數(shù)字態(tài)的各向異性單元結(jié)構(gòu)按照預(yù)先設(shè)計的各向異性編碼矩陣排列在二維平面上，便可將x極化和y極化的垂直入射電磁波轉(zhuǎn)換為橫電波模式(即transverse-electric mode，以下簡稱為TE模式)的表面波，并將它們分別引導(dǎo)向不同的傳播方向；或者可以將x極化垂直入射電磁波轉(zhuǎn)換為TE模式的表面波，而將y極化垂直入射電磁波反射到上半空間的任意方向上。

這里將在X波段具體實例化本發(fā)明所提到的極化受控的空間波轉(zhuǎn)表面波功能器件。圖1為本發(fā)明的功能示意圖，此極化受控的空間波轉(zhuǎn)表面波功能器件在x極化垂直入射波的照射下，可以將其轉(zhuǎn)換為TE模式的表面波并沿著y方向傳播；而在y極化垂直入射波的照射下,可以將其轉(zhuǎn)換為TE模式的表面波并沿著x方向傳播。位于兩側(cè)的介質(zhì)基板用于接收所轉(zhuǎn)換的表面波。

圖2給出了此器件的各向異性單元結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)圖，其由圓形/橢圓形的金屬結(jié)構(gòu)印刷在厚d＝2mm的FR4介質(zhì)基板上，單元的周期長度L＝6mm，介質(zhì)板的背面覆蓋一層銅來保證零透射率。上層金屬結(jié)構(gòu)的形狀由橢圓的半徑r和壓縮比例k值共同決定，當k＝1時，為圓形結(jié)構(gòu)，此時表現(xiàn)為各向同性；當k<1時，為橢圓結(jié)構(gòu)，此時表現(xiàn)為各向異性。

通過優(yōu)化上述圓形/橢圓形結(jié)構(gòu)的兩個幾何參數(shù)，使得其可在x極化和y極化垂直入射電磁波的照射下獨立地產(chǎn)生數(shù)字態(tài)響應(yīng)“00”、“01”、“10”和“11”，對應(yīng)反射相位為0度、90度、180度和270度，因此排列組合后便有16種不同的組合“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”，其中斜杠前面為x極化時的反射數(shù)字態(tài)，斜杠后面為y極化時的反射數(shù)字態(tài)。這16個不同結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的幾何參數(shù)見表1。

表1構(gòu)成極化受控的空間波轉(zhuǎn)表面波功能器件的2-比特各向異性電磁編碼超表面

的16種編碼單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。

給定k和r，便可以確定一個橢圓，表中給出了16個單元結(jié)構(gòu)中上表面橢圓的具體參數(shù)，用以滿足每個單元在x極化和y極化入射波照射下時所需的反射相位。

為了展示本發(fā)明應(yīng)用在X波段對x極化和y極化入射電磁波的獨立調(diào)控特性，下面采用兩個具體的實例來說明。

第一個實例對應(yīng)的編碼為M₁，即在x極化下編碼序列為[11 00 01 01 10 11…]，編碼變換方向沿著y方向，其中每個數(shù)字重復(fù)為2,；y極化下編碼序列同樣為[11 00 01 01 1011…]，編碼變換方向沿著x方向。編碼矩陣M₁所對應(yīng)的超表面圖案如圖6所示，整個超表面由64×64個編碼單元構(gòu)成。

圖4展示了編碼為M₁的極化受控的空間波轉(zhuǎn)表面波功能器件在x極化和y極化垂直電磁波照射下的近場電場分布圖。當x極化電磁波垂直入射到器件表面時，此時編碼序列可以等效為沿著y方向變化的[11 00 01 01 10 11…]序列，垂直波束會被轉(zhuǎn)換為表面波，并沿著y方向傳播到介質(zhì)基板上；當電磁波極化方向變?yōu)閥方向時，此時編碼序列等效為沿著x方向變化的[11 00 01 01 10 11…]序列,垂直波束會被轉(zhuǎn)換為表面波，并沿著x方向傳播到介質(zhì)基板上。

第二個示例所采用的各向異性編碼M₂如下，當垂直入射電磁波極化方向沿x軸時，相應(yīng)的編碼序列為[11 00 01 01 10 11…]，編碼變換方向沿著y方向；當垂直入射電磁波極化方向沿y軸時，相應(yīng)的編碼序列為[00 00 01 01 10 10 11 11...]。編碼矩陣M₂所對應(yīng)的超表面圖案如圖7所示，整個超表面由64×64個編碼單元組成。

圖5展示了編碼為M₂的極化受控的空間波轉(zhuǎn)表面波功能器件在x極化和y極化垂直電磁波照射下的近場電場分布圖和遠場散射方向圖。當x極化電磁波垂直入射到器件表面時，此時編碼序列等效為沿著y方向變化的[11 00 01 01 10 11…]序列，垂直波束會被轉(zhuǎn)換為表面波，并沿著y方向傳播到介質(zhì)基板上；當電磁波極化方向變?yōu)閥方向時，此時編碼序列等效為沿著x方向變化的[00 00 01 01 10 10 11 11...]序列,垂直波束會被異常反射到x-z平面內(nèi)的某個角度上。

本發(fā)明在微波段可采用常規(guī)的印制電路板工藝制作，加工簡單。未來通過設(shè)計電可調(diào)的各向異性電磁編碼超表面單元結(jié)構(gòu)，與FPGA等控制電路相結(jié)合，就可以實現(xiàn)現(xiàn)場可編程的各向異性電磁編碼超表面，從而實時調(diào)控其對入射電磁波的響應(yīng)。

需要說明，以上所述僅是本發(fā)明在微波X波段的優(yōu)選實施方式，由于本發(fā)明具有單層結(jié)構(gòu)且單元結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，易于加工的優(yōu)點，同樣的結(jié)構(gòu)可以通過尺寸縮放應(yīng)用到太赫茲，紅外以及可見光波段。應(yīng)當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。