一種極化受控的空間波轉表面波功能器件的製作方法

2023-08-07 20:05:06

本發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表面波功能器件。

背景技術：

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於用宏觀尺寸單元代替了原來微觀尺寸單元(原子或分子)。儘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於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於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。

技術實現要素：

發明目的：本發明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，並分別導向不同方向；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，本發明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，並且可將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，分別對應於數字態「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「/」符號之前和之後的數字態分別對應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，本發明的優勢在於：

1、本發明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(如稜鏡、電偶極子天線)，具有超薄、低剖面和高效率的優點。

2、本發明與復旦大學周磊教授所提出的基於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，並且可以將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，並導向不同的方向，因此在實際應用中具有更強的適用範圍和更大的設計自由度。

3、本發明摒棄了傳統採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，採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、本發明巧妙的採用一種圓形/橢圓形的編碼單元結構。結構簡單易於設計，相比於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、本發明的金屬結構的圖形簡單，在微波頻段採用常規的印製電路板工藝即可製作，並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為為本發明的功能示意圖。

圖2為構成本發明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

構成本發明的編碼單元結構，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，易於設計和加工。其生成的步驟可分為兩步：首先生成一個半徑為r的圓盤，然後將圓盤沿著x軸或者y軸以壓縮比例(scaling ratio)k進行壓縮，壓縮後，短軸和長軸的比例為k。當壓縮比k等於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；而當壓縮比不等於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°，分別對應於數字態「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，其中斜槓前者為x極化時的數字態，斜槓後者為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」、「01/11」、「10/00」、「10/01」、「10/11」、「11/00」、「11/01」和「11/10」十六種不同的各向異性數字態。

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字態的各向異性單元結構按照預先設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換為橫電波模式(即transverse-electric mode，以下簡稱為TE模式)的表面波，並將它們分別引導向不同的傳播方向；或者可以將x極化垂直入射電磁波轉換為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。

這裡將在X波段具體實例化本發明所提到的極化受控的空間波轉表面波功能器件。圖1為本發明的功能示意圖，此極化受控的空間波轉表面波功能器件在x極化垂直入射波的照射下，可以將其轉換為TE模式的表面波並沿著y方向傳播；而在y極化垂直入射波的照射下,可以將其轉換為TE模式的表面波並沿著x方向傳播。位於兩側的介質基板用於接收所轉換的表面波。

圖2給出了此器件的各向異性單元結構的立體結構圖，其由圓形/橢圓形的金屬結構印刷在厚d＝2mm的FR4介質基板上，單元的周期長度L＝6mm，介質板的背面覆蓋一層銅來保證零透射率。上層金屬結構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，為圓形結構，此時表現為各向同性；當k<1時，為橢圓結構，此時表現為各向異性。

通過優化上述圓形/橢圓形結構的兩個幾何參數，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生數字態響應「00」、「01」、「10」和「11」，對應反射相位為0度、90度、180度和270度，因此排列組合後便有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」，其中斜槓前面為x極化時的反射數字態，斜槓後面為y極化時的反射數字態。這16個不同結構所對應的幾何參數見表1。

表1構成極化受控的空間波轉表面波功能器件的2-比特各向異性電磁編碼超表面

的16種編碼單元結構的幾何參數。

給定k和r，便可以確定一個橢圓，表中給出了16個單元結構中上表面橢圓的具體參數，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。

為了展示本發明應用在X波段對x極化和y極化入射電磁波的獨立調控特性，下面採用兩個具體的實例來說明。

第一個實例對應的編碼為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，其中每個數字重複為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個編碼單元構成。

圖4展示了編碼為M1的極化受控的空間波轉表面波功能器件在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，垂直波束會被轉換為表面波，並沿著y方向傳播到介質基板上；當電磁波極化方向變為y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,垂直波束會被轉換為表面波，並沿著x方向傳播到介質基板上。

第二個示例所採用的各向異性編碼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，相應的編碼序列為[00 00 01 01 10 10 11 11...]。編碼矩陣M2所對應的超表面圖案如圖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，垂直波束會被轉換為表面波，並沿著y方向傳播到介質基板上；當電磁波極化方向變為y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平面內的某個角度上。

本發明在微波段可採用常規的印製電路板工藝製作，加工簡單。未來通過設計電可調的各向異性電磁編碼超表面單元結構，與FPGA等控制電路相結合，就可以實現現場可編程的各向異性電磁編碼超表面，從而實時調控其對入射電磁波的響應。

需要說明，以上所述僅是本發明在微波X波段的優選實施方式，由於本發明具有單層結構且單元結構設計簡單，易於加工的優點，同樣的結構可以通過尺寸縮放應用到太赫茲，紅外以及可見光波段。應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。