一種極化受控的空間波轉表面波功能器件制造技術

本發明專利技術提出了一種極化受控的空間波轉表面波功能器件，該器件由一種2?比特各向異性電磁編碼超表面構成，通過將各向異性數字單元按照預先設定的各向異性編碼排列在二維平面上，就形成了極化受控型的空間波轉表面波功能器件。由于每個單元在x極化和y極化時擁有獨立的相位響應，使得此器件在兩個極化互相垂直的入射波照射下具有不同的功能，可用于將x極化和y極化垂直入射波轉換為表面波并導向不同的方向；或者將x極化入射波轉為表面波，而將y極化入射波反射到空間任意方向。本發明專利技術具有超薄、低剖面和高效率的優點，在實際應用中具有更強的適用范圍和更大的設計自由度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術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表面波功能器件。
技術介紹
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(或表面)所構成的一種人工材料。電磁超表面和傳統意義材料的區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都是通過基本單元諧振系統與外加電磁場的相互作用來體現的。電磁超表面從媒質的角度定義了電磁波的行為，為微波器件的設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生的相位不連續性以及隨之產生的異常反射和異常折射行為。人們可以設計人工表面結構來人為控制這種相位不連續性，進而可以利用二維超表面調控空間波。達到任意控制反射波和折射波的目的。實現如渦旋波束和貝塞爾波束等，甚至可以設計隨機的相位分布，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，實現隱身。復旦大學的周磊教授從等效感應電流的角度，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，設計了一個高效率的空間波到表面波的轉換器件。以上提到的超表面的單元都是各向同性的結構，即設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生變化，而復旦大學周磊教授所提出的基于H型金屬結構的空間波轉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。
技術實現思路
專利技術目的：本專利技術提供了一種工作在微波段的極化受控型的空間波轉表面波功能器件，通過設計相應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換為表面波，并分別導向不同方向；或者可以將x極化垂直入射電磁波轉換為表面波，而將y極化垂直入射電磁波反射到空間任意方向上。為了實現上述功能，本專利技術是通過如下的技術方案來實現：一種極化受控的空間波轉表面波功能器件，該器件由一種2-比特各向異性電磁編碼超表面構成，通過將各向異性數字單元按照預先設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為表面波，并且可將x極化和y極化分量的電磁波導向不同的方向；或可將x極化入射波轉為表面波，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構主要由三層結構構成，從上至下依次是橢圓形/圓形金屬結構、環氧樹脂(以下簡稱FR4)介質層和金屬背板。進一步的，通過改變單元結構中上層結構的幾何參數，包括圓的半徑r和壓縮比例k，此各向異性單元結構可以獨立地將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，分別對應于數字態“00”、“01”、“10”和“11”。進一步的，所述的各向異性單元結構包括4個各向同性結構和12個各向異性結構，4個各向同性結構的數字態為“00/00”、“01/01”、“10/10”和“11/11”；12個各向異性結構的數字態為“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字態分別對應x極化和y極化垂直入射電磁波照射時的數字態響應。與現有技術相比，本專利技術的優勢在于：1、本專利技術所提出的一種的空間波轉表面波的器件，與傳統空間波轉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點。2、本專利技術與復旦大學周磊教授所提出的基于H型金屬結構的空間波轉表面波器件相比，具有同時支持x極化和y極化的優勢，并且可以將x極化和y極化電磁波分別獨立地轉換為表面波或者空間波，并導向不同的方向，因此在實際應用中具有更強的適用范圍和更大的設計自由度。3、本專利技術摒棄了傳統采用等效媒質參數對超表面及各種相應器件進行分析與設計的方案，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計空間波轉表面波功能器件。4、本專利技術巧妙的采用一種圓形/橢圓形的編碼單元結構。結構簡單易于設計，相比于各向同性的編碼超表面，具有更大的設計靈活度，即在改變入射波極化方向時，所轉換的表面波或反射的空間波可被導向不同的方向，且x和極化和y極化下的功能具有很高的隔離度。5、本專利技術的金屬結構的圖形簡單，在微波頻段采用常規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為為本專利技術的功能示意圖。圖2為構成本專利技術功能器件的編碼單元結構的示意圖，主要由三部分組成，從上至下依次是橢圓形/圓形金屬結構、FR4介質層和金屬背板；上層的金屬結構為橢圓形或圓形的金屬結構，厚度d＝0.018mm；中間的介質層材料為FR4介質板(介電常數＝4.3，損耗角正切為0.03)，厚度d＝2mm，單元周期長度L＝6mm；介質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，此器件以及兩側的介質板表面的數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，此器件以及兩側的介質板表面的數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。具體實施方式構成本專利技術的編碼單元結構，是由各向同性的圓形結構和各向異性的橢圓形結構兩大部分組成，其結構簡單，易于設計和加工。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(scalingratio)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，呈現各向同性的特性，即對x極化和y極化電磁波表現出相同的反射相位；而當壓縮比不等于1時，為橢圓形，呈現各向異性的特性，即對x極化和y極化電磁波呈現不同的反射相位。所設計的2-比特各向異性單元結構在x極化或者y極化垂直入射電磁波的照射下呈現出反射相位0°、90°、180°和270°，分別對應于數字態“00”、“01”、“10”和“11”。為了方便表示各向異性單元結構在x極化和y極化下的數字態，我們將每一個單元結構命名為“s/s”的形式，其中斜杠前者為x極化時的數字態，斜杠后者為y極化時的數字態。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”、“01/1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種極化受控的空間波轉表面波功能器件，其特征在于：該器件由一種2?比特各向異性電磁編碼超表面構成，通過將各向異性數字單元按照預先設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為表面波，并且可將x極化和y極化分量的電磁波導向不同的方向；或可將x極化入射波轉為表面波，而將y極化入射波反射到空間任意方向。

【技術特征摘要】
1.一種極化受控的空間波轉表面波功能器件，其特征在于：該器件由一種2-比特各向異性電磁編碼超表面構成，通過將各向異性數字單元按照預先設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為表面波，并且可將x極化和y極化分量的電磁波導向不同的方向；或可將x極化入射波轉為表面波，而將y極化入射波反射到空間任意方向。2.根據權利要求1所述一種極化受控的空間波轉表面波功能器件，其特征在于，所組成的各向異性單元結構主要由三層結構構成，從上至下依次是橢圓形/圓形金屬結構、環氧樹脂介質層和金屬背板。3.根據權利要求1所述一種極化受控的空間波轉表面波功能器件，其特征在于，通過改變單元結構中上層結構的幾何參數，包括圓的半徑r和壓縮比例k，此各向異性單元結構可以獨立地將x極化和y極化的垂直...

【專利技術屬性】
技術研發人員：崔鐵軍，劉碩，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32