CN206180121U - 一种极化受控的空间波转表面波功能器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型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。本实用新型具有超薄、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。
Description
技术领域
本实用新型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。
背景技术
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***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。
发明内容
发明目的：本实用新型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，本实用新型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，本实用新型的优势在于：
1、本实用新型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、本实用新型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、本实用新型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、本实用新型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、本实用新型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为为本实用新型的功能示意图。
图2为构成本实用新型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
构成本实用新型的编码单元结构，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(scaling ratio)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”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”十六种不同的各向异性数字态。
将这些在x极化和y极化垂直入射电磁波照射下具有不同数字态的各向异性单元结构按照预先设计的各向异性编码矩阵排列在二维平面上，便可将x极化和y极化的垂直入射电磁波转换为横电波模式(即transverse-electric mode，以下简称为TE模式)的表面波，并将它们分别引导向不同的传播方向；或者可以将x极化垂直入射电磁波转换为TE模式的表面波，而将y极化垂直入射电磁波反射到上半空间的任意方向上。
这里将在X波段具体实例化本实用新型所提到的极化受控的空间波转表面波功能器件。图1为本实用新型的功能示意图，此极化受控的空间波转表面波功能器件在x极化垂直入射波的照射下，可以将其转换为TE模式的表面波并沿着y方向传播；而在y极化垂直入射波的照射下,可以将其转换为TE模式的表面波并沿着x方向传播。位于两侧的介质基板用于接收所转换的表面波。
图2给出了此器件的各向异性单元结构的立体结构图，其由圆形/椭圆形的金属结构印刷在厚d＝2mm的FR4介质基板上，单元的周期长度L＝6mm，介质板的背面覆盖一层铜来保证零透射率。上层金属结构的形状由椭圆的半径r和压缩比例k值共同决定，当k＝1时，为圆形结构，此时表现为各向同性；当k<1时，为椭圆结构，此时表现为各向异性。
通过优化上述圆形/椭圆形结构的两个几何参数，使得其可在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下独立地产生数字态响应“00”、“01”、“10”和“11”，对应反射相位为0度、90度、180度和270度，因此排列组合后便有16种不同的组合“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”，其中斜杠前面为x极化时的反射数字态，斜杠后面为y极化时的反射数字态。这16个不同结构所对应的几何参数见表1。
表1构成极化受控的空间波转表面波功能器件的2-比特各向异性电磁编码超表面的16种编码单元结构的几何参数。
给定k和r，便可以确定一个椭圆，表中给出了16个单元结构中上表面椭圆的具体参数，用以满足每个单元在x极化和y极化入射波照射下时所需的反射相位。
为了展示本实用新型应用在X波段对x极化和y极化入射电磁波的独立调控特性，下面采用两个具体的实例来说明。
第一个实例对应的编码为M1，即在x极化下编码序列为[11 00 01 01 10 11…]，编码变换方向沿着y方向，其中每个数字重复为2,；y极化下编码序列同样为[11 00 01 0110 11…]，编码变换方向沿着x方向。编码矩阵M1所对应的超表面图案如图6所示，整个超表面由64×64个编码单元构成。
图4展示了编码为M1的极化受控的空间波转表面波功能器件在x极化和y极化垂直电磁波照射下的近场电场分布图。当x极化电磁波垂直入射到器件表面时，此时编码序列可以等效为沿着y方向变化的[11 00 01 01 10 11…]序列，垂直波束会被转换为表面波，并沿着y方向传播到介质基板上；当电磁波极化方向变为y方向时，此时编码序列等效为沿着x方向变化的[11 00 01 01 10 11…]序列,垂直波束会被转换为表面波，并沿着x方向传播到介质基板上。
第二个示例所采用的各向异性编码M2如下，当垂直入射电磁波极化方向沿x轴时，相应的编码序列为[11 00 01 01 10 11…]，编码变换方向沿着y方向；当垂直入射电磁波极化方向沿y轴时，相应的编码序列为[00 00 01 01 10 10 11 11...]。编码矩阵M2所对应的超表面图案如图7所示，整个超表面由64×64个编码单元组成。
图5展示了编码为M2的极化受控的空间波转表面波功能器件在x极化和y极化垂直电磁波照射下的近场电场分布图和远场散射方向图。当x极化电磁波垂直入射到器件表面时，此时编码序列等效为沿着y方向变化的[11 00 01 01 10 11…]序列，垂直波束会被转换为表面波，并沿着y方向传播到介质基板上；当电磁波极化方向变为y方向时，此时编码序列等效为沿着x方向变化的[00 00 01 01 10 10 11 11...]序列,垂直波束会被异常反射到x-z平面内的某个角度上。
本实用新型在微波段可采用常规的印制电路板工艺制作，加工简单。未来通过设计电可调的各向异性电磁编码超表面单元结构，与FPGA等控制电路相结合，就可以实现现场可编程的各向异性电磁编码超表面，从而实时调控其对入射电磁波的响应。
需要说明，以上所述仅是本实用新型在微波X波段的优选实施方式，由于本实用新型具有单层结构且单元结构设计简单，易于加工的优点，同样的结构可以通过尺寸缩放应用到太赫兹，红外以及可见光波段。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
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”。
4.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。
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