[发明专利]一种具有可编程非互易特性的透射式基本单元及超材料

说明书

本发明公开了一种具有可编程非互易特性的透射式基本单元，包括依次设置的表层金属结构层、上层介质板层、全反射零透射层、下层介质板层和底层金属结构层；表层金属结构层包括第一矩形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第二金属导线与第一矩形贴片的边框垂直相接，第一金属导线的一端与第二金属导线垂直相接，第二金属导线上装有表层调控晶体管；底层金属结构层包括第二矩形贴片、第三金属导线和第四金属导线，第四金属导线与第二矩形贴片的边框垂直相接，第三金属导线的一端与第四金属导线垂直相接，第四金属导线上装有底层调控晶体管。本发明采用双向可调控基本单元，通过调控晶体管的工作状态，控制双向的非互易状态，实现不同的传输状态。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种在微波段具有可编程非互易特 性的透射式电磁编码超材料。

背景技术

新型人工电磁材料，亦称电磁超材料(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体内(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。电磁超材料从媒质的角度 定义了电磁波的行为，为微波器件的设计提供了新的思路和方法。不同于传统超材料， 编码超材料传统超材料结构数字化，实现了对超材料的数字化编辑，为超材料的设计提 供了一个新的维度。

非互易特性作为一种重要而且特殊的物理现象，目前已经广泛应用于光学和微波等 器具设计中。经典的非互易器件如环形器等，已经广泛应用于雷达和通信等应用。传统非互易超材料大多基于磁性材料来实现。Caloz等人在2017年提出了基于放大晶体管的 非互易无磁超材料，实现了超薄的非互易传输超表面。此外，其他基于晶体管和场效应 管等非互异器件的超材料也相继被提出。

然而，以上提到的超材料单元都是单向的，不可调控的，一旦设计好之后功能也就被确定下来。因此，这些超材料在功能性和应用性上都具有一定局限性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有可编程非互易特性的透射式 基本单元及超材料，通过控制放大晶体管的工作状态来改变超材料特性。设计特定的数 字编码矩阵并通过FPGA控制编码单元的状态将编码矩阵对应地赋予材料中的每个基本单元，其便可在依据不同的放大晶体管的工作状态来实现超材料不同的传输状态。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有可编程非互易特性的透射式基本单元，基本单元包括自上而下依次设置的 表层金属结构层、上层介质板层、全反射零透射层、下层介质板层和底层金属结构层；所述表层金属结构层包括贴附于上层介质板层上表面的第一矩形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第二金属导线与第一矩形贴片的边框垂直相接，第一金属导线的一端与 第二金属导线的中段垂直相接，所述第二金属导线上安装有表层调控晶体管，表层调控 晶体管的底面与上层介质板层的上表面相接；底层金属结构层包括贴附于下层介质板层 下表面的第二矩形贴片、第三金属导线和第四金属导线，第四金属导线与第二矩形贴片 的边框垂直相接，第三金属导线的一端与第四金属导线的中段垂直相接，所述第四金属 导线上安装有底层调控晶体管，底层调控晶体管的顶面与下层介质板层的下表面相接。

进一步的，所述基本单元的周期长度x为34-36mm，基本单元的周期宽度y为 27.9-28.1mm；所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的长度z均为18.2-18.4mm；第一矩形 贴片和第二矩形贴片的宽度w均为13.4-13.6mm；所述上层介质板层和下层介质板层的 厚度h均为0.9-1.1mm，介电常数均为4.2-4.6，损耗角正切均为0.009-0.015，且上层介 质板层和下层介质板层采用相同介质。