[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

说明书

本发明公开了一种基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法，具体步骤为：步骤一、设计低比特的编码单元，在空间周期排列形成一款二维可编程超材料，其中每个单元结构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；步骤二、赋予每个单元一组独立的时间编码序列并周期循环，产生一个等效的激励幅度和相位，实现任意高比特响应；步骤三、设计相应的时空三维编码矩阵，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。本发明解决了传统可编程超材料实现高比特设计的困难，简化了控制电路和馈电网络，节约了有源器件。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法。

背景技术

新型人工电磁材料，亦称电磁超材料(英文名为Metamaterials)，是由许多亚波长尺寸的单元结构在三维空间内周期或非周期地排列形成，其等效的介电常数和磁导率可以通过设计不用的金属单元结构或者采用不同的周期排列方式而任意控制，因此超材料能够实现天然材料所不具备的电磁特性。但是超材料通常具有较大的损耗以及不可忽略的重量和体积，在一定程度上限制了超材料的应用前景。近些年来，为了减少体超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面(Metasurfaces)也广泛地用于调控电磁波，由于超表面的可以忽略不计的厚度和损耗，使得超表面成为超材料中的一个迅速发展的独立分支。

崔铁军教授课题组于2014年提出了数字编码和可编程超材料的概念，创新性地采用数字编码的方式来调控电磁波，区别于基于等效媒质理论的传统超材料。例如，1比特编码超材料是两个数字单元“0”和“1”(分别对应0和π的相位响应)按照一定的编码序列构成；而2比特编码超材料是由四个数字单元“00”、“01”、“10”和“11”(分别对应0，π/2,π和3π/2的相位响应)。这种超材料可以通过设计编码序列来实现对电磁波的调控。此外，在单元上加载有源可调器件，结合FPGA等控制电路可以实现功能实时可切换的可编程超材料。(参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,Coding metamaterials,digitalmetamaterials and programmable metamaterials,Light-ScienceApplications,vol.3,p.e218,Oct 2014.)

以上提到的可编程超材料仅有空间维度的编码，其编码状态数受控制电路、馈电网络以及有源器件的限制。通常较低比特数的可编程超材料容易实现，例如1比特两种可编程数字态或者2比特四种可编程数字态，低比特的编码在某种程度上限制了可编程超材料用于复杂功能的实现。

发明内容

发明目的：本发明目的在于解决现有可编程超材料实现高比特编码态的难题，引入时间维度的调制，赋予每个低比特可编程单元一组时间编码序列，可以产生等效的激励幅度和相位；任意比特可编程时空编码超材料设计可以精确地控制空间域和频率域的电磁波能量分布，提供了更大的自由度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于时空编码的任意比特可编程超材料设计方法，包括以下步骤：

1)设计低比特(包括1比特和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T₀，循环频率为f₀＝1/T₀，远小于入射电磁波频率exp(j2πf_ct)，根据阵列天线理论，编码超材料的远场散射方向图可表示为：