[发明专利]一种基于拓扑优化的超表面逆反射器微结构设计方法

说明书

本发明提供一种拓扑优化的超表面逆反射器微结构设计方法，包括：建立超表面多通道反射器；以二维周期网格将设计域划分为规则矩形子网格阵列，以二维子网格阵列中金属层的差异性组合描述不同微结构的构型；根据斜射向多通道反射器的入射波的入射角和特定频率获取超胞长度及宽度；构建二维矩阵，使该二维矩阵中各阵元表示所对应的设计域子网格内金属层的贴附或缺失；对由超胞组成的二维周期阵列的散射特性进行建模，以多通道反射器对所需特定频率在该入射角的反方向反射功率占各方向总反射功率比值最大为设计目标，对超胞内超表面微结构进行构型寻优。本发明以超胞作为设计域，获取合理的金属贴片分布以实现最大逆反射功率占比的超表面逆反射器。

技术领域

本发明涉及逆反射器领域，尤其涉及对基于超表面的逆反射器的微结构优化方法。

背景技术

逆反射是入射波在反射面上向波的入射方向反射的一种特殊物理现象。它自发现以来，以其独特的响应特性引起了研究领域相关研究者的关注，随着电磁场理论和制备工艺的不断发展，逆反射在目标识别、卫星通信、船舶导航及救险、雷达散射截面增强、遥感、交通引导等领域表现出了巨大的应用潜力。如在目标识别领域，逆反射器搭载在待识别目标上，当探测波扫描到逆反射器时，其会在反射器上经逆反射后再以很强的回波功率返回探测器，进而提高目标识别度，该种设计已在隐身战机的可识别性、海上浮标定位、船舶救险的探测中得以应用。又如，在交通引导指示中，在导语上使用逆反射器以保证夜晚导语牌的可见度。目前，逆反射的实现频段已经覆盖了光波波段、毫米波波段和微波波段。

对于斜入射波的逆反射，传统方法有金属角反射器、中空回波反射器、伊顿透镜、金属格栅等，这些传统的方法是以三维金属结构或反射器件内材料的三维分布设计为基础设计的，其适用性受到极大限制。平面型逆反射天线，Atta antenna，是一种由金属刻蚀结构帖附的二维平面反射器，它的出现使逆反射器的实现形式由三维结构变为了二维结构。该天线阵列各周期包含四个尺寸相同的一维排列的微带贴片天线，两贴片间通过微带型传输线连接，传输线长度用以调整两天线间电长度进而实现相位的调整。通过不同相移的传输线，可以反转外部斜入射平面波所引起的相位梯度，使天线阵反向发射波束。反相梯度使波前辐射返回入射方向。然而，传输线的复杂性限制了逆反射天线延伸到毫米波以上的波段。近几年，相应的研究表明，合理的亚波长超表面阵列能够控制电磁波反射和折射的传播方向。相关研究领域的研究人员为二维周期性超表面赋予了更多的适用对象，其中便包括二维超表面逆反射器。通过对非周期超表面阵列各单元反射相位的叠加，逆反射特性是可实现的。然而，由于在相位叠加中需要大量不同相位离散单元，要求较大规模的超表面阵列。另一种基于超表面的逆反射器是基于相位梯度的二维周期性超表面阵列的，研究表明，平面相位梯度超表面可以产生多通道反射，其中包括逆反射通道。相位梯度超表面由二维周期超胞阵列组成，当每个超胞都包含一组一维的具有线性相位变化的铜栅时，MS阵列将产生单向逆反射。然而，如果超胞中存在过多的铜栅子结构，则需要子结构尺寸远小于工作波长，这对制备精度有较高的要求，如果存在设计及制备误差进而产生梯度相位不连续，会降低逆反射效率，找到低子结构数量的逆反射实现形式是必要的，与此同时，获取逆反射方向最大逆反射功率占比要求找到合理的逆反射器微结构构型，因此需要找到一种可行的逆反射器微结构拓扑设计方法，而目前尚无一种逆反射器拓扑设计方法。

发明内容

根据上述提出的现有超胞难于制备的技术问题，而提供一种基于拓扑优化的超表面逆反射器微结构设计方法。本发明以超胞作为设计域，获取合理的金属贴片分布以实现具有最大逆反射功率占比的超表面逆反射器。

本发明采用的技术手段如下：

本发明公开了一种基于拓扑优化的超表面逆反射器微结构设计方法，其特征在于，包括：

获取介质基板选材和尺寸限定条件，根据广义斯涅耳定律建立具有周期性金属刻蚀微结构阵列的超表面多通道反射器，所述超表面多通道反射器包括介质基板，所述介质基板下侧设置有金属接地板、介质基板上侧表面具有金属微结构；