[发明专利]一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面

说明书

本发明公开了一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面，该超表面的基本单元结构包括直角金属结构(1)、十字型金属结构(2)、介质层(3)以及金属背板(4)；其中，介质层(3)的平面为方形，在其上表面的中央设有十字型金属结构(2)，在其上表面的四角分别设有一个直角结构(1)，在其下平面设有金属背板(4)。该超表面包括一个以上的子单元阵列，所述子单元阵列由M×N基本单元结构组成，M和N为非零正整数；所述子单元阵列按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上，在不同频率和极化的入射波照射下具有不同的电磁响应。本发明结构简单、易于加工，同一块超表面可以独立地实现多种功能。

技术领域

本发明涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面。

背景技术

电磁超材料(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/非周期性地排列，或者植入到基体材料内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是它们对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振系统与外加电磁场的相互作用来体现的。近20年来，电磁超材料被广泛地研究应用于调控电磁波，产生了许多令人惊奇的现象及器件。最初基于等效媒质的超材料，通过精心设计超材料结构来获得特定的等效介电常数和磁导率来调控电磁波，可以获得很多自然界中无法实现的现象，例如负折射、完美透镜、隐身大衣等。但是传统的超材料都是三维结构，体积和重量较大，不易于集成。为了减少三维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。超表面本质上是二维的电磁超材料，其厚度可以忽略不计，重量和体积都很大程度上缩减，造价低、损耗小，便于系统集成设计。由于超表面在纵向方向上的尺寸远远小于波长，传统的等效媒质参数无法用来分析超表面，因此横向谐振法和广义边界过渡条件等方法被相继提出。

然而，基于等效媒质参数的传统超材料和超表面不能实现对电磁场与波的实时和智能调控，也难以和信息理论及信号处理方法相结合。东南大学崔铁军教授课题组在2014年提出了“数字编码和可编程超材料/超表面”的概念，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时调控。例如，1比特编码超表面是两个数字单元“0”和“1”(分别对应0和180度的反射相位)按照一定的编码序列构成；而2比特编码超表面是由四个数字单元“00”、“01”、“10”和“11”(分别对应0、90、180和270度的反射相位)组成，更高比特位依次类推。编码超表面构成单元的离散化和数字编码化表征方式，简化了设计和优化流程，可以通过设计相应的编码序列来实现对电磁波的调控，如波束分离、波束偏折和漫反射等。这种数字编码超表面具有易于设计、易于加工、宽频带等优点，在高性能天线、减小雷达散射截面(RCS)等方面都有重要的应用前景。(参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,Codingmetamaterials,digital metamaterials and programmable metamaterials,Light-ScienceApplications,vol.3,p.e218,Oct 2014.)

随着现代集成系统的快速发展，多功能器件和设备在很多应用场合都有需求。因此，各向异性的编码超表面被提出，针对不同极化的入射波表现出不同的电磁响应；接着双频段独立工作的编码超表面也被提出，对于不同频率的入射波呈现不同的远场辐射模式。然而，之前的各向异性和双频段的编码超表面都只是双功能的设计，各向异性的编码超表面只能工作在单一频段，而双频段的编码超表面也只能工作于特性线极化的入射波。

发明内容

技术问题：为了将有限的频谱资源充分利用，拓宽工作频段并实现多功能的应用，本发明提供一种共口径设计的双频段各向异性编码超表面。按照预先设计的数字编码矩阵调整超表面中每个基本单元的结构参数，使其分别在高频和低频下x和y极化波的照射下独立地呈现四种不同的远场辐射模式。