單元構(gòu)成，超級子單元的大小為2*2。 圖7a和7b給出了極化為X和y時的三維遠(yuǎn)場方向圖，可以清晰的看出當(dāng)極化方向?yàn)閄時， 垂直入射波束被偏折到Y(jié)-Z平面內(nèi)與z軸夾角為48. 5度角（P=QO' Θ = 48° )的方向 上；當(dāng)極化方向?yàn)閥時，垂直入射波束被偏折到Y(jié)-Z平面內(nèi)與z軸夾角為22度角（@=270°, θ = 22° )的方向上。
[0073] 圖7c和7d給出了相應(yīng)的x極化和y極化垂直入射電磁波照射時的Y-Z平面內(nèi)的 電場分布圖。圖7e給出了相應(yīng)的X極化（實(shí)線曲線所示）和y極化（虛線曲線所示）垂 直入射電磁波照射時的Y-Z平面內(nèi)的二維散射方向圖。第四和第五示例展示了所設(shè)計(jì)的 2-比特電磁編碼超材料可以通過改變極化方向，使反常偏折波束在某個二維平面內(nèi)從-90 度到+90度任意掃描。
[0074] 通過上述實(shí)施例可知：通過賦予超材料不同的編碼矩陣，使其在X極化和y極化的 垂直入射電磁波的照射下獨(dú)立地呈現(xiàn)出不同的功能，如反常反射、反常折射、渦旋波束和貝 塞爾波束等。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，由于在X極化 和y極化時對電磁波具有不同的相位響應(yīng)，因此當(dāng)電場極化方向與X軸和y軸夾角為45度 時，可實(shí)現(xiàn)反射式圓極化轉(zhuǎn)換器和線極化轉(zhuǎn)換器等功能。所實(shí)現(xiàn)的器件具有定向率高、轉(zhuǎn)換 效率高、低背景噪聲和具有一定的帶寬的特點(diǎn)。
[0075] 接下來，將對本發(fā)明的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行評估。首先定義轉(zhuǎn)換效率如下：將波束以傾 斜角24度（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(qiáng)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(qiáng)度記為P2,其比值定 義為轉(zhuǎn)換效率E = P2/P1。由于圖3c和圖5b中的散射方向圖已經(jīng)對純金屬板反射時的強(qiáng) 度Pl做過歸一化，因此從這兩個圖中便可讀出編碼為Ml和M3的超材料的轉(zhuǎn)換效率為76% 和66%，這樣的高效率是無法利用傳統(tǒng)單層透射式的梯度折射率超材料獲得的。
[0076] 本發(fā)明采用光刻工藝和lift-off (剝離）工藝制作，具體的工藝步驟如下：
[0077] 首先通過電子束蒸發(fā)沉積200nm厚的金到2寸娃片上；
[0078] 隨后，將液態(tài)聚酰亞胺以旋轉(zhuǎn)涂覆的方式均勻地覆蓋在金層之上，然后在熱板上 以80度、120度、180度和250度加熱各加熱5分鐘、5分鐘、5分鐘和20分鐘，此時聚酰亞 胺已固化在金層之上；
[0079] 由于單次勻膠只能生成大約10微米厚的聚酰亞胺，此勻膠步驟需要重復(fù)3次以制 作25微米厚聚酰亞胺層；
[0080] 接著利用光刻工藝將具有所需編碼圖案的掩膜版的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上；
[0081] 隨后再用電子束蒸發(fā)沉積一層10納米的鈦和200納米的金；
[0082] 之后用Liff-off (剝離）工藝在丙酮中生成最終的金屬圖案。
[0083] 由于金和硅片表面的二氧化硅層的粘附性較差，整個樣品可以從硅片表面直接撕 下來，形成無基底的樣品，具有超薄和柔性的特點(diǎn)，可與任何曲面物體共形，擴(kuò)展了本發(fā)明 的應(yīng)用范圍，可用作太赫茲系統(tǒng)中的波束偏折、波束分離、圓極化轉(zhuǎn)換器和線極化轉(zhuǎn)化器等 功能器件，也可用于縮減目標(biāo)的雷達(dá)散射截面等應(yīng)用。未來通過制作電可調(diào)的各向異性電 磁編碼超表面單元結(jié)構(gòu)，與FPGA等控制電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可編程的各向異性電磁編碼超材 料，這樣可以實(shí)時調(diào)控其對入射電磁波的響應(yīng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)線條設(shè)計(jì)簡單，僅具有單層金屬 圖案，在微波頻段采用印制電路板工藝即可制作；在太赫茲波段采用光刻工藝便可加工，易 于量產(chǎn)。
[0084] 總之，本發(fā)明設(shè)計(jì)的2-比特各向異性電磁編碼超材料則通過設(shè)計(jì)人工電磁材料 的有限個碼元和其編碼順序?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的特殊功能。本發(fā)明的2-比特各向異性編碼超材料 包含了反射波幅度相同而相位依次相差90度的四個數(shù)字態(tài)"00"、"01"、"10"和"11"，由于 所設(shè)計(jì)的基本單元結(jié)構(gòu)需要在X極化和y極化垂直入射波的照射下呈現(xiàn)出獨(dú)立的數(shù)字態(tài)響 應(yīng)，因此總共有16種基本單元結(jié)構(gòu)。當(dāng)垂直入射的電磁波的極化方向沿X軸和y軸時，通 過設(shè)計(jì)相應(yīng)的二維編碼矩陣，這種各向異性編碼超材料會表現(xiàn)出兩種截然不同的功能，其 中包括反常波束反射、反常波束分離、渦旋波束、貝塞爾波束和隨機(jī)表面散射等。另外，當(dāng)垂 直入射的電磁波的極化方向與X軸和y軸夾角45度時，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的編碼矩陣，垂直入 射的線極化波束會被轉(zhuǎn)換為圓極化波并且偏折到一個特定的角度，形成低背景噪聲的反射 式圓極化轉(zhuǎn)換器；同樣，當(dāng)改變數(shù)字編碼矩陣，垂直入射的線極化波束也可會被轉(zhuǎn)換為交叉 線極化波并且偏折到一個特定的角度，形成低背景噪聲的反射式線極化轉(zhuǎn)換器。
[0085] 需要說明，以上所述僅是本發(fā)明在太赫茲波段的優(yōu)選實(shí)施方式，由于本設(shè)計(jì)具有 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單并且單層金屬圖案的優(yōu)點(diǎn)，同樣的結(jié)構(gòu)可以通過尺寸縮放而直接擴(kuò)展到 微波段、毫米波波段、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，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種2-比特各向異性電磁編碼超材料，其特征在于，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極化時對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。2. 如權(quán)利要求1所述的2-比特各向異性電磁編碼超材料，其特征在于，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 分別為〇度/〇度、90度/90度、180度/180度和270度/270度。3. 如權(quán)利要求1所述的2-比特各向異性電磁編碼超材料，其特征在于，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 分別為〇度、90度、180度和270度中任意兩種反射相位的組合。4. 如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的2-比特各向異性電磁編碼超材料，其特征在于，在 X極化入射時和/或在y極化入射時，相鄰的編碼單元之間具有90度梯度相位差。5. 如權(quán)利要求4所述的2-比特各向異性電磁編碼超材料，其特征在于，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，其具有一長方形本體，該 長方體的四角各延伸出一個直角三角形，該三角形的一條邊與長方體本體的一邊重合，鄰 邊與長方體本體的另一邊在同一直線上。6. 權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述2-比特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。7. -種2-比特各向異性電磁編碼超材料，其特征在于，包括若干個按照預(yù)定規(guī)則縱橫 排列的超級子單元，每個單元包括NX N個各向同性單元結(jié)構(gòu)，或者包括NX N個各向異性單 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極化時對電磁波具有 不同的相位響應(yīng)。8. 如權(quán)利要求7所述的2-比特各向異性電磁編碼超材料，其特征在于，所述N為1、2、 3或4。9. 權(quán)利要求7或8所述2-比特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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種2-比特太赫茲各向異性電磁編碼超材料及應(yīng)用，其中，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極化時對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。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對電磁波具有不同的調(diào)控功能。
【IPC分類】H01Q15/00
【公開號】CN105048100
【申請?zhí)枴緾N201510359592
【發(fā)明人】崔鐵軍, 劉碩, 周小陽, 袁浩
【申請人】江蘇軒途電子科技有限公司
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月25日