[发明专利]一种多功能的非线性超表面

说明书

本发明公开了一种多功能的非线性超表面，包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°，该超表面对垂直于表面入射的电磁波具有强度依赖性反常偏折功能和漫反射功能，且功能切换灵活，设计简便、加工成本低、质量轻，在电磁兼容、电磁能量防护、雷达隐身等领域具有很高的潜在应用价值。

技术领域

本发明属于新型人工电磁表面技术领域,具体涉及一种可应用于电磁兼容、电磁能量防护，雷达隐身的多功能的非线性数字超表面。

背景技术

新型人工电磁超材料通常由亚波长尺寸的精细单元呈周期性/非周期性排布而成，具有自然界普通媒质所不具备的特异电磁性能，如负折射、后向传播、完美成像、光学幻觉等，因而受到广泛关注。三维超材料的损耗较大、制备难度大、成本高，其实际应用受到很大限制。作为一种平面电磁超材料，超表面凭借极薄的厚度对入射波产生显著的相位突变，加之较小的损耗和制备难度，成为电磁波操控的重要手段之一，已实现了反常偏折波束、涡旋波束、漫反射、全息成像等功能。

随着电磁环境的日趋复杂，电磁辐射源不断增多，辐射强度不断增大，电磁波强度在空间上的起伏将引发一系列新的需求，如电磁兼容、电磁防护等。然而，常规的超表面属于线性超表面，由于缺乏空间入射波强度感应机制，其反射相位与入射波强度无关，因而无法对不同强度的电磁波进行区分操控。人们迫切希望获得一类非线性超表面，其反射相位根据入射波强度而改变，从而产生强度依赖性非线性电磁波操控效果。

在微波频段，非线性超材料在近二十年来发展迅速，具体应用包括非线性谐振调控、谐波产生、非线性极化旋转等。它们的非线性产生机制源于无源非线性器件(如变容二极管)与谐振单元中聚焦电磁场的直接相互作用，因此对电磁场强度的要求较高，且单元阵列的性能可重构能力不足，功能单一。而且，它们大多为三维结构，单元阵列的加工组装难度较大。具有二维结构的微波非线性超材料出现较晚，典型例子如非线性吸波超表面。但该超表面的局限性在于：第一，作用对象是电磁表面波，而非更普遍存在的空间波；第二，功能是电磁能量吸收，对电磁波损耗大，不具备电磁波操控功能；第三，不具备可重构功能，功能固化。因此，其应用场景受到一定限制。

发明内容

本发明正是针对现有问题，提供了一种多功能的非线性超表面，包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°，该超表面对垂直于表面入射的电磁波具有强度依赖性反常偏折功能和漫反射功能，且功能切换灵活，在电磁兼容、电磁能量防护、雷达隐身等领域具有很高的潜在应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多功能的非线性超表面，包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°。

作为本发明的一种改进，所述亚波长单元A和亚波长单元B具有相同的结构，包括自上而下依次叠加放置的：顶层金属层、介质层、中间金属层、介质层、电磁波功率检波电路层，所述顶层金属层由两个金属贴片和连接两个金属贴片的变容二极管构成，还包括连接顶层金属层和底层金属的两个竖直金属通孔，所述金属通孔不与中间金属层接触。

作为本发明的另一种改进，所述亚波长单元A和亚波长单元B各自顶层金属层内的两个金属贴片，大小不一，所述亚波长单元A顶层金属层内的大贴片与亚波长单元B顶层金属层内的大贴片尺寸不相同。