本發(fā)明屬于新型人工電磁材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳輸控制，尤其是控制交叉偏振態(tài)的傳輸，能夠控制交叉偏振態(tài)的傳輸方向，利用人工電磁材料實(shí)現(xiàn)波束方向控制的基于分裂環(huán)結(jié)構(gòu)、背景自由的波束方向控制器。

背景技術(shù)：
新型人工電磁材料(Metamaterials)是人工設(shè)計(jì)的一種具有天然媒質(zhì)所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合媒質(zhì)。人工電磁材料的研究迅速成為國際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被美國《Science》雜志評(píng)為2003年的十大科技突破之一。新型人工電磁材料的結(jié)構(gòu)單元的尺度在亞波長量級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)天然材料所沒有的電磁特性，其電磁特性主要是由結(jié)構(gòu)而不是由其構(gòu)成材料所決定。通過新型人工電磁材料對(duì)電磁波的響應(yīng)，我們可以利用新型人工電磁材料任意控制電磁波傳播的方式。新型人工電磁材料可以超越自然界的自然材料，可以讓穿過它的電磁波發(fā)生極化的旋轉(zhuǎn)，甚至可以實(shí)現(xiàn)“隱身衣”，讓電磁波像流水一樣繞過物體，實(shí)現(xiàn)隱身功能。自被發(fā)現(xiàn)之后，新型人工電磁材料因其特殊的性質(zhì)引起廣泛的關(guān)注，不同的新型人工電磁材料有不同的特殊性質(zhì)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。其中，超界面(metasurface)是新型人工電磁材料應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，它通過巧妙的人工設(shè)計(jì)，使界面具有與傳統(tǒng)界面不同的新特性，利用超界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的任意控制。最吸引研究者目光的是梯度超表面，N.Yu利用界面橫向的梯度設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)廣義的折反射定律。利用梯度超表面陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了雙極性透鏡、波束彎折、異常反射/折射、1/4波帶片、行波-表面波的完美轉(zhuǎn)換、全息成像以及光子自旋霍爾效應(yīng)等，這些都體現(xiàn)了超表面的宏觀序在奇異電磁調(diào)控中所扮演的重要角色?？茖W(xué)家們已經(jīng)利用超界面來實(shí)現(xiàn)任意控制光波的偏振態(tài)和波前。利用超界面設(shè)計(jì)的光學(xué)器件具有輕薄的特點(diǎn)，在軍事上具有重要的應(yīng)用價(jià)值。手性(Chirality)與人工電磁超材料結(jié)合后會(huì)出現(xiàn)巨大的旋光效應(yīng)、電磁波的非對(duì)稱傳輸?shù)取?006年，Zheludev等人在平面手性新型人工電磁材料研究中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的、重要的電磁學(xué)效應(yīng)-圓轉(zhuǎn)換二向色性，導(dǎo)致了宏觀的非對(duì)稱傳輸現(xiàn)象。2011年Zheludev提出了一種基于人工電磁材料的偏振譜濾波器(美國專利“Spectralfilter”，公開號(hào)：US2011/0261441A1)，利用單層新型人工電磁材料可實(shí)現(xiàn)交叉偏振濾波器。但此專利基于入射光角度來調(diào)制交叉偏振輸出，且存在共偏振輸出，電磁波出射方向?yàn)樾滦腿斯る姶挪牧系姆ň€方向，因此該器件信噪比不高，且不能控制波束的出射方向。本發(fā)明結(jié)合梯度相位超表面和偏振轉(zhuǎn)換兩方面的優(yōu)勢，通過超晶胞的梯度相位的設(shè)計(jì)，控制交叉偏振態(tài)的傳輸方向，本質(zhì)上通過改變新型人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元橫向相位變化，使交叉偏振波的傳輸方向偏離法線方向，偏離角度依賴梯度相位設(shè)計(jì)和電磁波波長。通過改變每個(gè)子單元的尺寸等幾何參數(shù)可以改變新型人工電磁材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，進(jìn)而改變它的響應(yīng)特性。雙新型人工電磁材料的設(shè)計(jì)可以靈活控制出射波束的傳輸方向，為新型波束控制器件的實(shí)現(xiàn)開辟了新的途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的基于分裂環(huán)結(jié)構(gòu)、背景自由的波束方向控制器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于分裂環(huán)結(jié)構(gòu)、背景自由的波束方向控制器，包括雙人工電磁材料層和介質(zhì)層，雙層人工電磁材料位于介質(zhì)層兩側(cè)，介質(zhì)層位于中間作為間隔層來支撐雙層人工電磁材料層；兩層人工電磁材料層由周期性排列的人工電磁材料超晶胞構(gòu)成，每個(gè)人工電磁材料超晶胞包含8個(gè)子單元結(jié)構(gòu)；每個(gè)子單元結(jié)構(gòu)由金屬層、空氣弧及部分相變材料弧組成，兩段長度不等的空氣弧和相變材料弧構(gòu)成兩段弧長相等、拱形口相對(duì)的弧形結(jié)構(gòu)，第一空氣弧的圓心角為β，第二空氣弧的圓心角為α，α＜β，第二空氣弧弧長小于第一空氣弧弧長的部分由部分相變材料弧補(bǔ)齊。人工電磁材料超晶胞的前四個(gè)子單元與后四個(gè)子單元的旋向相反；兩層人工電磁材料存在90度旋轉(zhuǎn)角?？諝饣『筒糠窒嘧儾牧匣∈峭ㄟ^刻蝕覆于介質(zhì)層表面的金屬層獲得，相變材料為二氧化釩。第一空氣弧的圓心角β不變，第二空氣弧的圓心角α滿足交叉偏振波的360度相位梯度。人工電磁材料超晶胞所使用的金屬材料為銅、金、鋁。介質(zhì)層材料為聚酰亞胺材，介質(zhì)層厚度為毫米量級(jí)。本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種基于分裂環(huán)結(jié)構(gòu)、背景自由的波束方向控制器，利用具有90度旋轉(zhuǎn)角的雙層新型人工電磁材料層，實(shí)現(xiàn)交叉偏振傳輸，可使出射電磁波偏轉(zhuǎn)、靈活控制電磁波束的出射角度，具有較寬的工作頻率范圍；該波束控制器件具有制造成本低，結(jié)構(gòu)薄，設(shè)計(jì)簡單，制造容易，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。附圖說明圖1是波束方向控制器件的超晶胞結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是新型人工電磁材料的子單元結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是波束方向控制器件的新型人工電磁材料層示意圖；圖4是波束方向控制器件的工作原理圖；圖5是有、無熱致激發(fā)情況下波束方向控制器件透射幅值與偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線。具體實(shí)施方式本發(fā)明的實(shí)施過程和材料性能由實(shí)施例和附圖進(jìn)行更加詳細(xì)的說明：本發(fā)明是一種基于分裂環(huán)結(jié)構(gòu)、背景自由的波束方向控制器，其特征是采用梯度相位雙層新型人工電磁材料能夠?qū)崿F(xiàn)交叉偏振傳輸，且傳輸波的傳輸方向偏離法線，同時(shí)充分抑制共偏振傳輸，實(shí)現(xiàn)背景自由的波束方向控制。此人工電磁結(jié)構(gòu)包括雙新型人工電磁材料層和介質(zhì)層，雙新型人工電磁材料層位于介質(zhì)層兩側(cè)，介質(zhì)層位于雙新型人工電磁材料層之間，來支撐雙層人工電磁材料層。兩層人工電磁材料層都由周期性排列的新型人工電磁材料超晶胞構(gòu)成；每個(gè)超晶胞包含8個(gè)子單元結(jié)構(gòu)，每個(gè)子單元結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱性；兩層的超晶胞結(jié)構(gòu)完全一樣，但是存在旋轉(zhuǎn)角，且前四個(gè)子單元與后四個(gè)子單元前后兩層的旋向相反；新型人工電磁材料子單元結(jié)構(gòu)包括金屬層及空氣弧和部分相變材料弧。利用溫度的變化，調(diào)控相變材料的電導(dǎo)率，進(jìn)而使其發(fā)生相變。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)交叉偏振傳輸，利用梯度相位設(shè)計(jì)和入射電磁波波長可以控制輸出波的傳輸方向，通過改變溫度來控制透射波的偏轉(zhuǎn)方向，并且透射波中只有交叉偏振波、無共偏振波，因此該結(jié)構(gòu)的輸出受到共偏振背景噪聲的影響非常小，具有較高的信噪比。該器件對(duì)新型人工電磁材料的發(fā)展具有重要意義，為新型波前調(diào)整、波束方向控制等器件的發(fā)展提供了機(jī)遇。采用梯度相位雙層新型人工電磁材料能夠?qū)崿F(xiàn)交叉偏振傳輸，且傳輸波的傳輸方向偏離法線，同時(shí)充分抑制共偏振傳輸，實(shí)現(xiàn)背景自由的波束方向控制。兩層人工電磁材料層都由周期性排列的新型人工電磁材料超晶胞構(gòu)成，超晶胞結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了橫向的相位梯度變化。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)交叉偏振傳輸，利用梯度相位設(shè)計(jì)和入射電磁波波長可以控制輸出波的傳輸方向，相變材料中載流子的熱激發(fā)，導(dǎo)致相變材料從介質(zhì)絕緣特性到金屬導(dǎo)電特性的轉(zhuǎn)變，從而控制透射波的偏轉(zhuǎn)方向。并且透射波中只有交叉偏振波、無共偏振波，因此該結(jié)構(gòu)的輸出受到共偏振背景噪聲的影響非常小，具有較高的信噪比。該器件對(duì)新型人工電磁材料的發(fā)展具有重要意義，為新型波前調(diào)整、波束方向控制等器件的發(fā)展提供了機(jī)遇。本發(fā)明的技術(shù)方案為：基于分裂環(huán)結(jié)構(gòu)、背景自由的波束方向控制器包括介質(zhì)層和雙人工電磁材料層，其特點(diǎn)在于，作為間隔層來支撐雙層人工電磁材料層的介質(zhì)層位于雙人工電磁材料層之間，采用的材料為PCB材料、聚酰亞胺材料(Polyimide)或與其性能相近的材料，其厚度為毫米量級(jí)；雙人工電磁材料層分別位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，金屬結(jié)構(gòu)采用性能優(yōu)良的銅、金、鋁等材料；雙層新型人工電磁材料的超晶胞的結(jié)構(gòu)完全相同，每個(gè)超晶胞包含8個(gè)子單元，但2層間存在90度旋轉(zhuǎn)角，且前四個(gè)子單元與后四個(gè)子單元的旋向相反。因?yàn)閷娱g旋轉(zhuǎn)角的存在，使得結(jié)構(gòu)形成手性特征，實(shí)現(xiàn)交叉偏振傳輸；子單元具有非對(duì)稱性，包含兩段長度不等空氣弧及部分相變材料弧，兩段空氣弧的圓心角α和β不相等；兩段弧長不同的空氣弧及相變材料弧是通過刻蝕覆于介質(zhì)層表面的金屬層獲得，兩段空氣弧的圓心角分別為α和β，弧寬度為w＝R-r；新型人工電磁材料的周期為毫米量級(jí)。該器件的工作原理為：基于分裂環(huán)結(jié)構(gòu)、背景自由的波束方向控制器免受背景噪聲的影響，其背景自由依賴于2層非對(duì)稱的超晶胞之間具有90度的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角，使所述器件具有手性性質(zhì)，僅允許交叉偏振波通過新型人工電磁材料，充分抑制共偏振傳輸，具有較高的信噪比；梯度相位依賴于超晶胞中8個(gè)子單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，子單元長弧的圓心角β保持不變，短弧的圓心角α是設(shè)計(jì)變量，滿足交叉偏振波的相位梯度設(shè)計(jì)；波束方向控制則依賴于超晶胞的梯度相位的設(shè)計(jì)，進(jìn)而控制交叉偏振態(tài)的傳輸方向，相變材料中載流子的熱激發(fā)，實(shí)現(xiàn)相變材料弧從介質(zhì)絕緣特性到金屬導(dǎo)電特性的轉(zhuǎn)變，從而控制透射波的偏轉(zhuǎn)方向。原理為通過改變?nèi)斯る姶挪牧辖Y(jié)構(gòu)單元橫向相位變化，使交叉偏振波的傳輸方向偏離法線方向，偏離角度依賴梯度相位設(shè)計(jì)和電磁波波長。實(shí)施例1：基于分裂環(huán)結(jié)構(gòu)、背景自由的波束方向控制器的超晶胞結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，包括介質(zhì)層1和雙人工電磁材料層2和3。介質(zhì)層1位于雙新型人工電磁材料層2和3之間，實(shí)施例中采用PCB材料，厚度t＝1.6mm。雙人工電磁材料層2和3位于介質(zhì)層1的表面，每一層都由周期排列的超晶胞構(gòu)成，每個(gè)超晶胞包含8個(gè)子單元，后四個(gè)子單元與前四個(gè)子單元結(jié)構(gòu)相似，只是層間旋轉(zhuǎn)角不同；圖2給出了新型人工電磁材料層2的前四個(gè)子單元的結(jié)構(gòu)，每個(gè)子單元通過刻蝕覆于介質(zhì)層1表面的金屬層實(shí)現(xiàn)，亞周期a＝15mm，內(nèi)嵌空氣弧4和5以及相變材料弧6，空氣弧4的圓心角為β，空氣弧5的圓心角為α，空氣弧5兩側(cè)為填充相變材料的相變材料弧6，其厚度與金屬層相同，tm＝0.2mm。超晶胞內(nèi)的梯度設(shè)計(jì)依賴于變化的圓心角α，空氣弧4弧長不變，空氣弧5的弧長逐步增大，即圓心角β不變，α變大?；〉膬?nèi)徑和外徑分別為r＝5.6mm和R＝6.4mm，弧寬度為w＝R-r＝0.8mm?？諝饣?對(duì)應(yīng)的圓心角β＝160°，空氣弧5對(duì)應(yīng)的圓心角α分別為α1＝40°，α2＝120°，α3＝140°，α4＝150°。新型人工電磁材料層2和3的子單元結(jié)構(gòu)尺寸相同，但兩層基本單元之間的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角為90°或者-90°，如圖3所示。下面再結(jié)合附圖4來進(jìn)一步說明實(shí)施方案，首先為波束方向控制器設(shè)置一個(gè)XYZ坐標(biāo)軸作為工作平臺(tái)，Z軸垂直于波束方向控制器件的表面。如圖4所示，Y方向的線偏振光7沿-Z方向垂直入射到上述波束方向控制器件表面后，輸出偏離法線方向的交叉偏振光(x偏振光，Txy)10，和法線方向的共偏振光(y偏振光，Tyy)9，令熱源T作為熱激發(fā)源，器件溫度控制在相變溫度68℃(340K)以上，此時(shí)入射到波束方向控制器件上的線偏振光7的交叉偏振輸出光為8，且交叉偏振光遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于共偏振光9，可以近似認(rèn)為無共偏振光輸出；新型人工電磁材料器件的微波能量透過率用表示，下標(biāo)i、j分別代表透射光和入射光的偏振態(tài)，上標(biāo)+和-分別代表有熱致激發(fā)和無熱致激發(fā)(注：表示無熱致激發(fā)情況下，輸入的Y偏振光轉(zhuǎn)化為X偏振輸出光的系數(shù))。圖5所示為波束方向控制器件的交叉偏振透射強(qiáng)度輸出曲線，圖5中看出透射波只有Txy而沒有Tyy，實(shí)現(xiàn)了交叉偏振傳輸而沒有共偏振；透射強(qiáng)度隨偏轉(zhuǎn)角度變化而變化，并且有無熱激勵(lì)時(shí)透射波的偏轉(zhuǎn)方向是相反的。由此可以看出，透射波經(jīng)過新型人工電磁材料器件后發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，偏離了Z軸。這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。凡是根據(jù)上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認(rèn)為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。