[发明专利]一种基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法

权利要求书

1.一种基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）设计1比特或2比特的编码单元，在空间周期排列形成一款二维现场可编程超材料；

2）利用数字控制模块给每个可编程单元的电磁参数进行时间维调制，提供一组独立的时间编码序列；

3）设计相应的时空三维编码矩阵，并利用傅里叶变换和阵列天线理论计算超材料在不同谐波频率处的空间散射能量，以满足具体的应用需求；

假设编码超材料包含M行N列单元，每个单元的时间编码序列周期为，循环频率为，远小于入射电磁波频率，根据阵列天线理论，编码超材料的远场散射方向图表示为：

式中为第(p, q)个编码单元在中心频率处的远场方向图，θ和为天线坐标下的俯仰角和方位角；d_x和d_y分别是单元沿x和y方向的周期；为工作波长；是引入时间调制后的单元反射系数，是时间的周期函数，在周期内被看作多个脉冲平移函数的线性叠加：

(2)

其中为一个周期为的脉冲函数，在每个时间周期内表示为：

(3)

式中是脉冲函数的宽度，L是时间编码序列的长度，是第(p, q)个编码单元在第n个时间编码内的反射系数，，和分别表示反射系数的幅度和相位；

基于傅里叶变换理论，周期脉冲函数在频域的傅里叶级数展开为：

(4)

式中m为谐波阶数，傅里叶级数系数表示为：

(5)

所以周期函数的傅里叶级数系数表示为：

最终时空编码超材料在任意谐波频点的远场散射方向图表示为：

。

2.根据权利要求1所述的基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法，其特征在于，所述步骤1）中，每个单元集成了一个或多个有源器件，在数字控制模块的控制下，单元可以呈现不同的电磁响应，这种电磁响应包括反射相位、反射幅度、透射相位和透射幅度。

3.根据权利要求1所述的基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法，其特征在于，所述步骤2）中，每个单元拥有独立的时间编码序列，并在在很短的时间周期内循环，可以产生一个等效的激励幅度和相位，单元能够实现等效的任意高比特响应。

4.根据权利要求1所述的基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法，其特征在于，所述步骤3）中，赋予一款低比特可编程超材料任意一组时空三维编码矩阵，利用式（7）可以计算出任意谐波处频率域的空间散射方向图，从而达到在空间域和频率域同时调控电磁波。

5.根据权利要求1所述的基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法，其特征在于，所述步骤1）中，每个单元的都是一种1比特或2比特响应单元，且都拥有一组独立的时间编码序列，可以产生一个等效的反射系数，利用式（6）可以计算出任意谐波频点处单元的等效激励相位和幅度，通过合理设计时间编码序列，单元的等效相位可以覆盖360度，用于实现任意高比特的可编程超材料。

6.根据权利要求1所述的基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法，其特征在于，其中所述的超材料也可为超表面。