本實用新型涉及一種新型人工電磁材料，尤其涉及一種在太赫茲波段的頻率可控的1-比特雙頻段電磁編碼超材料。

背景技術(shù)：

新型人工電磁材料，亦稱電磁超材料(Metamaterials)，是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期/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。電磁超材料和傳統(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。電磁超材料從媒質(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，該定理是描述超材料表面電磁特性的基本定律，考慮了電磁波在超材料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)控空間傳播波。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(biāo)的雷達散射截面積，實現(xiàn)隱身。

以上提到的超材料的單元一般都是單頻段的，即設(shè)計好的超材料的功能在相應(yīng)頻段內(nèi)是固定的并且唯一的，不能隨入射電磁波的頻段改變而發(fā)生變化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

實用新型目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實用新型提供一種應(yīng)用于太赫茲波段的雙頻段電磁編碼超材料，通過設(shè)計特定的數(shù)字編碼矩陣并將其賦予材料中的每個基本單元，其便可在低頻和高頻垂直入射電磁波的照射下獨立地實現(xiàn)不同的功能，如反常反射、反常折射、渦旋波束和貝塞爾波束等功能。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案為：

一種應(yīng)用于太赫茲波段的1-比特雙頻段電磁編碼超材料，包括一個以上的超級子單元，所述超級子單元主要由N×N個基本單元結(jié)構(gòu)組成，N為非零正整數(shù)；所述基本單元結(jié)構(gòu)包括從上到下依次設(shè)置的第一工字型金屬層、第一介質(zhì)層、第二工字型金屬層、第二介質(zhì)層以及零透射金屬層。

優(yōu)選的，本實用新型基本單元結(jié)構(gòu)包含4種單元結(jié)構(gòu)，通過獨立調(diào)節(jié)兩層工字型金屬結(jié)構(gòu)的臂長，使得優(yōu)化得到的單元結(jié)構(gòu)可以在兩個不同頻率的電磁波照射下獨立的呈現(xiàn)出兩種數(shù)字態(tài)響應(yīng)“0”和“1”，這兩種數(shù)字態(tài)響應(yīng)對應(yīng)兩種反射相位0°和180°，由于低頻和高頻下的數(shù)字態(tài)具有獨立響應(yīng)，因此得到4個不同的數(shù)字態(tài)編碼，這4種不同數(shù)字態(tài)編碼對應(yīng) 4種基本單元結(jié)構(gòu)。所述基本單元結(jié)構(gòu)包含4種單元結(jié)構(gòu)，4種單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如下：

其中：H₁為第二工字型金屬層的工字型金屬結(jié)構(gòu)的臂長，H₂為第一工字型金屬層的工字型金屬結(jié)構(gòu)的臂長，0和1為兩種數(shù)字態(tài)響應(yīng)，0數(shù)字態(tài)響應(yīng)對應(yīng)反射相位0°，1數(shù)字態(tài)響應(yīng)對應(yīng)反射相位180°，斜線前的數(shù)字表示在低頻太赫茲波照射下的反射相位數(shù)字態(tài)，斜線后的數(shù)字表示在高頻太赫茲波照射下的反射相位數(shù)字態(tài)；0/0、0/1、1/0、1/1這4種不同數(shù)字態(tài)編碼對應(yīng)4種單元結(jié)構(gòu)；

所述基本單元結(jié)構(gòu)按照相應(yīng)的數(shù)字編碼矩陣排列在二維平面上形成超級子單元。

優(yōu)選的，所述第一介質(zhì)層(4)的厚度為10μm，所述第二介質(zhì)層(3)的厚度為15μm，兩個介質(zhì)層的介電常數(shù)為3.00，損耗角正切為0.09。

優(yōu)選的，所述基本單元結(jié)構(gòu)的單元周期長度P為70μm。

有益效果：本實用新型提供的一種應(yīng)用于太赫茲波段的雙頻段電磁編碼超材料及基本單元結(jié)構(gòu)，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

1、本實用新型摒棄了傳統(tǒng)采用等效媒質(zhì)參數(shù)對超材料進行分析與設(shè)計的方案，采用離散的數(shù)字編碼形式來更加簡潔和有效地分析和設(shè)計超材料。

2、本實用新型巧妙的利用一種雙層工字型金屬結(jié)構(gòu)的基本單元結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)較簡單，相比于由單個諧振結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單頻段編碼超材料單元結(jié)構(gòu)，這種雙頻段的基本單元結(jié)構(gòu)具有更大的設(shè)計靈活度，具體表現(xiàn)在本實用新型能夠在改變?nèi)肷洳l段時實現(xiàn)對電磁波的不同調(diào)控功能。

3、本實用新型可通過賦予超材料不同的編碼矩陣，使其在低頻和高頻的垂直入射電磁波的照射下獨立地呈現(xiàn)出不同的功能，如反常反射、反常折射。所實現(xiàn)的器件具有定向率高，轉(zhuǎn)換效率高的特點。

4、本實用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，在太赫茲波段采用常規(guī)光刻工藝，易于量產(chǎn)。所制成的樣品具有超薄超輕的特點，易于與現(xiàn)有系統(tǒng)集成；同時也可覆蓋在任何具有曲面的物體上，用于縮減其雷達散射截面積。

5、本實用新型可用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝流程加工，其設(shè)計方法可擴展至微波段及光波段，可用于增大信息傳輸率或者用于分離不同頻率分量的電磁波。

附圖說明

圖1是這種雙頻段編碼超材料的原理圖、編碼基本單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及相應(yīng)的反射相位信息；(a)在高頻太赫茲波垂直照射下，編碼序列為“0101…”，垂直入射波主要被反射為兩個對稱的波束；(b)在低頻太赫茲波垂直照射下，編碼序列為“0101…/1010…”的棋盤格分布，垂直入射波主要被反射為四個對稱的波束；(c)基本編碼單元的結(jié)構(gòu)，由兩層工字型金屬結(jié)構(gòu)分別附著在聚酰亞胺介質(zhì)層上，四種數(shù)字態(tài)編碼“0/0”、“0/1”、“1/0”和“1/1”的所對應(yīng)單元尺寸h₁/h₂分別為31μm/21.5μm，20μm/30μm，38.5μm/30μm和15μm/35μm，其中下角標(biāo)1和2分別代表下層和上層；(d)在0.78THz(三角點)和1.19THz(圓點)處四種數(shù)字態(tài)編碼單元的反射相位值；(e)0.6THz到1.4THz頻段內(nèi)四種數(shù)字態(tài)編碼單元的反射相位；(f) 0.6THz到1.4THz頻段內(nèi)四種數(shù)字態(tài)編碼單元的反射相位；

圖2為在S₁，S₂，S₃編碼序列下，這種雙頻段編碼超材料的遠場散射方向圖的仿真結(jié)果；(a-c) 為S₁編碼序列，低頻時編碼序列為沿x方向的“00001111…”，高頻時編碼序列為沿y方向的“000111…”；(d-f)為S₂編碼序列，低頻時編碼序列為沿x方向的“00001111…”，高頻時編碼序列為棋盤格分布“000111…/111000…”；(g-i)為S₃編碼序列，低頻時編碼序列為沿 x方向的“0000011111…”，高頻時編碼序列沿x方向的“0011…”；(a,d,g)為0.78THz頻率處的三維散射方向圖仿真結(jié)果；(b,e,h)為1.19THz頻率處的三維散射方向圖仿真結(jié)果；(c,f,i) 為低頻和高頻相應(yīng)截面內(nèi)的二維散射方向圖。

圖3分別為S₁，S₂，S₃編碼序列下電場分布的仿真結(jié)果；(a,c,e)分別為編碼序列S₁，S₂，S₃在0.78THz頻率處的電場分布；(b,d,f)分別為編碼序列S₁，S₂，S₃在1.19THz頻率處的電場分布。

圖4為基本單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖4(a)為基本單元結(jié)構(gòu)的正視圖，圖4(b) 為圖4(a)的側(cè)向剖視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本實用新型，應(yīng)理解這些實例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍，在閱讀了本實用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

一種應(yīng)用于太赫茲波段的1-比特雙頻電磁編碼超材料，其基本單元結(jié)構(gòu)如圖1(c)和圖 4所示，其特征在于：包括從上到下依次設(shè)置的第一工字型金屬層1、第一介質(zhì)層4、第二工字型金屬層2、第二介質(zhì)層3以及零透射金屬層5。

一種應(yīng)用于太赫茲波段的1-比特雙頻電磁編碼超材料，其特征在于：包括一個以上的超級子單元，所述超級子單元主要由N×N個基本單元結(jié)構(gòu)組成，N為非零正整數(shù)；所述基本單元結(jié)構(gòu)按照相應(yīng)的數(shù)字編碼矩陣排列在二維平面上。

所述基本單元結(jié)構(gòu)共有4種基本單元結(jié)構(gòu)，通過獨立調(diào)節(jié)兩層工字型金屬結(jié)構(gòu)的臂長，得到的基本單元結(jié)構(gòu)可以在兩個不同頻率的電磁波照射下獨立的呈現(xiàn)出兩種數(shù)字態(tài)響應(yīng)“0”和“1”，這兩種數(shù)字態(tài)響應(yīng)分別對應(yīng)的兩種反射相位為0度和180度；由于在低頻和高頻下的數(shù)字態(tài)相應(yīng)獨立，因此一共會產(chǎn)生四種不同的數(shù)字態(tài)編碼，分別為“0/0”、“0/1”、“1/0”和“1/1”，其中，斜線前的數(shù)字表示在低頻太赫茲波照射下的反射相位數(shù)字態(tài)，斜線后的數(shù)字表示在高頻太赫茲波照射下的反射相位數(shù)字態(tài)。

這里將在太赫茲波段具體實例化本實用新型所提到的1-比特雙頻段電磁編碼超材料及基本單元結(jié)構(gòu)。

所述兩層介質(zhì)板的厚度d₁為15μm，d₂為10μm，介電常數(shù)為3.00，損耗角正切為0.09。

基本單元結(jié)構(gòu)的單元周期長度P為70μm。

本實用新型涉及的一種雙功能的雙頻段電磁編碼超材料是通過設(shè)計人工電磁材料的有限個碼元和其編碼順序來實現(xiàn)預(yù)期的特殊功能。主要涉及了一種太赫茲波段的1-比特的雙頻段編碼超材料，包含了反射波的幅度相同而相位相差180度的兩個編碼“0”和“1”。由于所設(shè)計的基本單元結(jié)構(gòu)需要在低頻和高頻垂直入射波的照射下呈現(xiàn)出獨立的數(shù)字態(tài)響應(yīng)，因此總共有4種基本單元結(jié)構(gòu)，這4種基本單元結(jié)構(gòu)都是由雙層工字型金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成。通過設(shè)計相應(yīng)的二維編碼矩陣，將這些基本單元結(jié)構(gòu)按照預(yù)先設(shè)計的數(shù)字編碼矩陣在二維平面內(nèi)進行排列，當(dāng)垂直入射的電磁波的頻率分別在低頻和高頻時，這種雙頻段編碼超材料會表現(xiàn)出兩種不同的功能，其中包括反常波束反射、反常波束分離和隨機散射等，可用于波束掃描、波束聚焦以及縮減物體的雷達散射截面積等應(yīng)用。

通過獨立調(diào)節(jié)兩層工字型金屬結(jié)構(gòu)的臂長h₁和h₂，得到每個基本單元結(jié)構(gòu)可以在兩個不同頻段的電磁波照射下獨立的產(chǎn)生兩種數(shù)字態(tài)響應(yīng)“0”和“1”，這兩種數(shù)字態(tài)響應(yīng)分別對應(yīng)的兩種反射相位為0度和180度；通過在低頻和高頻自由組合這兩個數(shù)字編碼，便形成了4個數(shù)字態(tài)編碼，分別為“0/0”、“0/1”、“1/0”和“1/1”，這4個數(shù)字態(tài)編碼單元所對應(yīng)的幾何參數(shù)見表1。

表1太赫茲波段1-比特雙頻段電磁編碼超材料的4種基本單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)

為了展示本實用新型應(yīng)用在太赫波段的1-bit雙頻段電磁編碼超材料的功能，下面采用三個具體的實例來說明。

第一個實例，我們采用編碼矩陣為S₁，低頻時編碼序列S_1L為沿x方向的“00001111…”，高頻時編碼序列S_1H為沿y方向的“000111…”。在這里我們引入超級子單元的概念，其由N ×N個相同的基本單元結(jié)構(gòu)組成。由于相鄰不同結(jié)構(gòu)單元之間電磁耦合未在設(shè)計單元結(jié)構(gòu)時考慮，因此會在實際編碼后的超材料中帶來不可預(yù)期的相位響應(yīng)，造成性能的惡化，而引入超級子單元可以有效地降低這一影響。本例中，整個超材料由72x72個基本單元構(gòu)成，S_1L和 S_1H編碼下的超級子單元大小N分別為4和3。

圖2(a)和圖2(b)展示了編碼為S₁的超材料在0.78THz和1.19THz垂直太赫磁波照射下的三維遠場方向圖。當(dāng)0.78THz的y極化電磁波垂直入射時，沿x方向的編碼序列為“00001111…”，垂直波束會被分離到x-z平面內(nèi)的兩個波束，兩波束與z軸夾角為42度；當(dāng)1.19THz的y極化電磁波垂直入射時，沿y方向的編碼序列為“000111…”，垂直波束會被分離到y(tǒng)-z平面內(nèi)的兩個波束，兩波束與z軸夾角為37度，此結(jié)果與廣義斯涅耳定律公式λ＝arcsin(λ/Γ)計算的結(jié)果43.3度和36.9度非常接近，其中λ代表自由空間波長，Γ代表一個梯度周期的長度。圖2(c)給出了二維截面內(nèi)的散射方向圖結(jié)果，可以看出1.19THz 處的波束寬度比0.78THz處的波束寬度要窄，因為在高頻段編碼超材料的相對電尺寸要大一些。

圖3(a)和圖3(b)展示了相應(yīng)的編碼為S₁的超材料在0.78THz和1.19THz太赫茲波垂直照射下的x-z平面和y-z平面內(nèi)的電場分布圖?？梢郧逦乜吹?，在兩種頻段太赫茲波照射下，電磁場都是向著兩個關(guān)于法線對稱的方向傳播；其中電場的微小擾動是由于之前提到的不同結(jié)構(gòu)單元之間的耦合造成的。

第二個實例，我們采用編碼矩陣為S₂，低頻時編碼序列S_2L為沿x方向的“00001111…”，高頻時編碼序列S_2H為棋盤格分布“000111…/111000…”。同樣地，這里也引入超級子單元的概念。本例中，整個超材料由72x72個基本單元構(gòu)成，S_2L和S_2H編碼下的超級子單元大小N 分別為4和3。

圖2(d)和圖2(e)展示了編碼為S₂的超材料在0.78THz和1.19THz垂直太赫磁波照射下的三維遠場方向圖。當(dāng)0.78THz的y極化電磁波垂直入射時，沿x方向的編碼序列為“00001111…”，與第一例中一樣，垂直波束會被分離到x-z平面內(nèi)的兩個波束，兩波束與 z軸夾角為42度；當(dāng)1.19THz的y極化電磁波垂直入射時，編碼序列為棋盤格分布，垂直波束會被分離為四個對稱的波束，兩波束與z軸夾角為37度，此結(jié)果與廣義斯涅耳定律公式λ＝arcsin(λ/Γ)計算的結(jié)果43.3度和36.9度非常接近。圖2(f)給出了二維截面內(nèi)的散射方向圖結(jié)果。圖3(c)和圖3(d)展示了相應(yīng)的編碼為S₂的超材料在0.78THz和1.19THz 太赫茲波垂直照射下的x-z平面和y-z平面內(nèi)的電場分布圖。

第三個實例，我們采用編碼矩陣為S₃，低頻時編碼序列S_3L為沿x方向的“0000011111…”，高頻時編碼序列S_3H沿x方向的“0011…”。同樣地，這里也引入超級子單元的概念。本例中，整個超材料由80x80個基本單元構(gòu)成,S_3L和S_3H編碼下的超級子單元大小N分別為5和2。

圖2(g)和圖2(h)展示了編碼為S₃的超材料在0.78THz和1.19THz垂直太赫磁波照射下的三維遠場方向圖。當(dāng)0.78THz的y極化電磁波垂直入射時，沿x方向的編碼序列為“0000011111…”，垂直波束會被分離到x-z平面內(nèi)的兩個波束，兩波束與z軸夾角為32度；當(dāng)1.19THz的電磁波y極化垂直入射時，沿x方向的編碼序列為“0011…”，垂直波束會被分離為x-z平面內(nèi)的兩個波束，兩波束與z軸夾角為64度，此結(jié)果與廣義斯涅耳定律公式λ＝arcsin(λ/Γ)計算的結(jié)果33.3度和64.2度非常接近。圖2(i)給出了二維截面內(nèi)的散射方向圖結(jié)果。圖3(e)和圖3(f)展示了編碼為S₃的超材料在0.78THz和1.19THz太赫茲波垂直照射下的x-z平面內(nèi)的電場分布圖。

下面，對本實用新型所提出的太赫茲波段的雙頻電磁編碼超材料的轉(zhuǎn)換效率進行評估。在這里，我們首先定義轉(zhuǎn)換效率如下：將波束以相應(yīng)的傾斜角(與金屬板法線的角度)入射到金屬板上時的鏡像反射角方向的反射強度記為P₁，將波束垂直入射到編碼后的超材料上時的偏折角方向上的反射強度記為P₂，其比值定義為轉(zhuǎn)換效率E＝P₂/P₁。由于圖2(c)(f)(i) 中的散射方向圖已經(jīng)對純金屬板反射時的強度P₁做過歸一化。因此可以得出編碼為S₁的超材料的轉(zhuǎn)換效率在0.78THz和1.19THz處化分別為41.9％和49％；編碼為S₂的超材料的轉(zhuǎn)換效率在0.78THz和1.19THz處化分別為41.9％和27.7％；編碼為S₃的超材料的轉(zhuǎn)換效率在 0.78THz和1.19THz處化分別為48.2％和37.4％。在1.19THz頻段處后向散射(0°)方向上的殘留的反射峰較大可能是由于每個編碼單元的反射幅度不均勻造成的。

本實用新型基本單元結(jié)構(gòu)是雙層工字型的雙頻段編碼結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計優(yōu)化其單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，可使得每個單元在低頻和高頻垂直入射電磁波的照射下呈現(xiàn)出獨立的反射相位0 度和180度，分別對應(yīng)數(shù)字態(tài)“0”和“1”。按預(yù)先設(shè)計的數(shù)字編碼在二維平面上排列這些數(shù)字單元，就形成了頻率可控的雙頻段電磁編碼超材料。由于每個單元在低頻和高頻時的響應(yīng)是獨立的，可使整個雙頻段編碼超材料在兩個不同頻段的垂直入射波照射下呈現(xiàn)兩種獨立的功能。其中包括反常波束反射、隨機表面散射等。在太赫茲段波采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝?？捎糜谥谱鞑ㄊ?，極化轉(zhuǎn)換器等器件，也可用于縮減目標(biāo)的雷達散射截面等應(yīng)用。

需要說明，以上所述僅是本實用新型在太赫茲的優(yōu)選實施方式，由于本實用新型單元結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，同樣的結(jié)構(gòu)可以通過尺寸縮放應(yīng)用到微波段，紅外以及可見光波段。應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。