2-比特太赫茲各向異性電磁編碼超材料及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新型人工電磁材料領(lǐng)域，尤其是一種2-比特太赫茲各向異性電磁編 碼超材料及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 與普通的自然界材料相比，新型人工電磁材料作為多功能材料，顯示出更加優(yōu)越 的性能。以往在對(duì)新型人工電磁材料分析與研究時(shí)，通常采用連續(xù)的、宏觀均勻或非均勻等 效媒質(zhì)參數(shù)來(lái)描述。類比于模擬電路，可將其稱為"模擬電磁超材料"。
[0003] 2011年Capasso等人提出了廣義斯涅爾定律，從理論上解釋了當(dāng)在超材料表面引 入在不連續(xù)相位時(shí)，會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生反常反射和反常折射現(xiàn)象，隨后根據(jù)廣義斯涅爾定律， 其他小組又通過(guò)在二維超表面上設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的相位分布，從而達(dá)到任意控制反射波和折 射波的目的，如渦旋波束和貝塞爾波束等；甚至可以設(shè)計(jì)隨機(jī)的相位分布，使得入射波束被 隨機(jī)散射到各個(gè)方向，形成漫反射，從而有效降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積，實(shí)現(xiàn)隱身。
[0004] 以上提到的超材料的單元設(shè)計(jì)都是對(duì)各向同性的，即設(shè)計(jì)好的超材料的功能就是 固定并且唯一的，不能隨極化而改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的之一是提供一種2-比特太赫茲各向異性電磁編碼超材 料，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題。
[0006] 技術(shù)方案：一種2-比特太赫茲各向異性電磁編碼超材料，包括各向同性單元結(jié)構(gòu) 和各向異性單元結(jié)構(gòu)，所述各向同性單元結(jié)構(gòu)和各向異性單元結(jié)構(gòu)按照預(yù)定的規(guī)則縱橫分 布，使其在X極化和y極化時(shí)對(duì)電磁波具有不同的相位響應(yīng)；所述各向同性單元結(jié)構(gòu)在X極 化和y極化的垂直入射電磁波的照射下呈現(xiàn)相同的反射相位，所述各向異性單元結(jié)構(gòu)在X 極化和y極化的垂直入射電磁波的照射下呈現(xiàn)不同的反射相位。
[0007] 所述各向同性單元結(jié)構(gòu)包括四種結(jié)構(gòu)，其在X極化和y極化的垂直入射電磁波的 照射下呈現(xiàn)的反射相位分別為0度/0度、90度/90度、180度/180度和270度/270度。
[0008] 所述各向異性單元結(jié)構(gòu)包括12種結(jié)構(gòu)，其在X極化和y極化的垂直入射電磁波的 照射下呈現(xiàn)的反射相位分別為0度、90度、180度和270度中任意兩種反射相位的組合。
[0009] 在X極化入射時(shí)和/或在y極化入射時(shí)，相鄰的編碼單元之間具有預(yù)定的梯度相 位差，該梯度相位差優(yōu)選為90度。
[0010] 所述各向同性單元結(jié)構(gòu)為方形金屬片；所述各向異性單元結(jié)構(gòu)為啞鈴型金屬片， 其具有一長(zhǎng)方形本體，該長(zhǎng)方體的四角各延伸出一個(gè)直角三角形，該三角形的一條邊與長(zhǎng) 方體本體的一邊重合，鄰邊與長(zhǎng)方體本體的另一邊在同一直線上。
[0011] 上述2-比特太赫茲各向異性電磁編碼超材料在全向波束掃描、波束聚焦和縮減 物體的雷達(dá)散射截面積中的應(yīng)用。
[0012] -種2-比特太赫茲各向異性電磁編碼超材料，包括若干個(gè)按照預(yù)定規(guī)則縱橫排 列的超級(jí)子單元，每個(gè)單元包括NX N個(gè)各向同性單元結(jié)構(gòu)，或者包括NX N個(gè)各向異性單元 結(jié)構(gòu)，N為正整數(shù)；所述各向同性單元結(jié)構(gòu)在X極化和y極化的垂直入射電磁波的照射下呈 現(xiàn)相同的反射相位，所述各向異性單元結(jié)構(gòu)在X極化和y極化的垂直入射電磁波的照射下 呈現(xiàn)不同的反射相位；所述各向異性電磁編碼超材料在X極化和y極化時(shí)對(duì)電磁波具有不 同的相位響應(yīng)。所述N為1、2、3或4。
[0013] 上述2-比特太赫茲各向異性電磁編碼超材料在全向波束掃描、波束聚焦和縮減 物體的雷達(dá)散射截面積中的應(yīng)用。
[0014] 有益效果：相比于只采用各向同性單元作為基本單元結(jié)構(gòu)的編碼超材料，本發(fā)明 具有更大的設(shè)計(jì)靈活度，具體表現(xiàn)在本發(fā)明能夠在更改入射波極化方向時(shí)對(duì)電磁波具有不 同的調(diào)控功能；本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)采用等效媒質(zhì)參數(shù)對(duì)超材料進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的方案，采 用離散的數(shù)字編碼形式來(lái)更加簡(jiǎn)潔和有效地分析和設(shè)計(jì)超材料。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖Ia至圖Id分別為本發(fā)明各向同性單元結(jié)構(gòu)的立體圖、各向同性單元結(jié)構(gòu)的俯 視圖、各向異性單元結(jié)構(gòu)的立體圖和各向異性單元結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0016] 圖2為本發(fā)明16種基本單元結(jié)構(gòu)的俯視圖，其中每行的結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)為X極化入射 波照射時(shí)的反射相位一致，每列在電場(chǎng)為y極化入射波照射時(shí)的反射相位一致。
[0017] 圖3a為當(dāng)編碼矩陣為M1時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿X軸時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射 方向圖，頻率為ITHz。
[0018] 圖3b為當(dāng)編碼矩陣為M1時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿y軸時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射 方向圖，頻率為ITHz。
[0019] 圖3c為當(dāng)編碼矩陣為M1時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿X軸時(shí)在Y-Z平面內(nèi)的 二維遠(yuǎn)場(chǎng)散射方向圖，頻率為ITHz。
[0020] 圖3d為當(dāng)編碼矩陣為M1時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿X軸時(shí)在Y-Z截面上的 電場(chǎng)Ex分量分布圖，頻率為ITHz ;
[0021] 圖3e為當(dāng)編碼矩陣為M1時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿y軸時(shí)在X-Z截面上的 電場(chǎng)Ey分量分布圖，頻率為ITHz ;
[0022] 圖3f為編碼矩陣為乂時(shí)的圖案，總共有32*32個(gè)超級(jí)子單元，每個(gè)超級(jí)子單元的 尺寸為2*2。
[0023] 圖4a為編碼矩陣為％時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿X軸時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射方 向圖，頻率為ITHz ;其中編碼序列如下：垂直入射電磁波為X方向極化時(shí)，編碼序列沿y方 向?yàn)?00-01-10-11-00-01-10-11···"，垂直入射電磁波為y方向極化時(shí)為隨機(jī)編碼序列。
[0024] 圖4b為編碼矩陣為％時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿y軸時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射方 向圖，頻率為ITHz ;其中編碼序列如下：垂直入射電磁波為X方向極化時(shí)，編碼序列沿y方 向?yàn)?00-01-10-11-00-01-10-11…"，垂直入射電磁波為y方向極化時(shí)為隨機(jī)序列。
[0025] 圖4c為編碼矩陣為％時(shí)的圖案，總共有16*16個(gè)超級(jí)子單元，每個(gè)超級(jí)子單元的 尺寸為3*3。
[0026] 圖5a為當(dāng)編碼矩陣為M3時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向與X軸和y軸夾角為45度 時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射方向圖，頻率為ITHz。
[0027] 圖5b為當(dāng)編碼矩陣為M3時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向與x軸和y軸夾角為45度 時(shí)，X-Z平面內(nèi)的二維遠(yuǎn)場(chǎng)散射方向圖，頻率為ITHz。
[0028] 圖5c為當(dāng)編碼矩陣為M3時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向與X軸和y軸夾角為45度 時(shí)，X-Z平面內(nèi)-45度到-15度圓極化波的軸比，頻率為ITHz。
[0029] 圖5d為當(dāng)編碼矩陣為M3時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向與X軸和y軸夾角為45度 時(shí)，當(dāng)頻率從〇· 8THz到I. 2THz時(shí)圓極化波束的偏折角（左側(cè)Y軸）和相應(yīng)的軸比（右側(cè) Y軸）。
[0030] 圖5e為編碼矩陣為％時(shí)的圖案，總共有16*16個(gè)超級(jí)子單元，每個(gè)超級(jí)子單元的 尺寸為3*3。
[0031] 圖6a為當(dāng)編碼矩陣為M4時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿X軸時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射 方向圖，頻率為ITHz。
[0032] 圖6b為當(dāng)編碼矩陣為M4時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿y軸時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射 方向圖，頻率為ITHz。
[0033] 圖6c為當(dāng)編碼矩陣為M4時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿X軸時(shí)，在Y-Z截面上的 電場(chǎng)Ex分量分布圖，頻率為ITHz。
[0034] 圖6d為當(dāng)編碼矩陣為M4時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿y軸時(shí)，在Y-Z截面上的 電場(chǎng)Ey分量分布圖，頻率為ITHz。
[0035] 圖6e為當(dāng)編碼矩陣為M4時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿X軸和y軸時(shí)，在Y-Z平 面內(nèi)的二維散射方向圖，其中實(shí)線代表X極化，虛線代表y極化。
[0036] 圖6f為編碼矩陣為仏時(shí)的圖案，總共有32*32個(gè)超級(jí)子單元，每個(gè)超級(jí)子單元的 尺寸為2*2。
[0037] 圖7a為當(dāng)編碼矩陣為M5時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿X軸時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射 方向圖，頻率為ITHz ;
[0038] 圖7b為當(dāng)編碼矩陣為M5時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿y軸時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)散射 方向圖，頻率為ITHz ;
[0039] 圖7c為當(dāng)編碼矩陣為M5時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿X軸時(shí)，在Y-Z截面上的 電場(chǎng)Ex分量分布圖，頻率為ITHz。
[0040] 圖7d為當(dāng)編碼矩陣為M5時(shí)，垂直入射波電場(chǎng)極化方向沿y軸時(shí)，在Y-Z截面上的 電場(chǎng)E