[实用新型]一种基于全介质编码超表面的太赫兹波束调控器

说明书

本发明涉及一种基于全介质编码超表面的太赫兹波束调控器，属于人工电磁超材料领域。该超材料表面由不同尺寸的3D硅结构单元组成，通过改变编码模式可以改变反射波的数量和反射角度。通过1bit编码我们可以实现二分束器和四分束器，并同时可以调控波束方向θ。通过2bit编码我们可以实现单束电磁波不同方向的调控。

技术领域

本发明涉及一种基于全介质编码超表面的太赫兹波束调控器，属于人工电磁超材料领域，在实际应用中具有操纵太赫兹波波束数目和波束角度的功能。

背景技术

由于其不同寻常的电磁特性，电磁超材料逐渐走入人们的视野。电磁超材料是自然界不存在的具有优良电磁特性的三维材料，通常是由周期性排列的谐振单元组成，这使得灵活的控制电磁波成为可能。

然而传统的反射型相位编码超表面通常由底部反射面，中间介质层和表面金属图案组成，并通过调节表面金属图案进而控制电磁波的反射相位。由于金属的固有缺陷，内部损耗较为严重，这极大地限制了电磁波调控的效率。在这里我们提出了一种基于全介质超表面编码电磁波调控方法，进一步解决了传统金属编码超表面所存在的问题。

发明内容

本发明提出一种基于全介质编码超表面的太赫兹波分束器，该超表面由不同尺寸的3D硅结构单元组成，通过改变编码模式可以改变反射波的数量和反射角度。通过1bit编码我们可以实现二分束器和四分束器，并同时可以调控波束方向θ。通过2bit编码我们可以实现单束电磁波不同方向的调控。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：我们通过改变硅介质的X臂的厚度来设计不同编码单元，成功构建了一个2-bit模型。为了区分编码单元状态，我们将它们编为‘0’，‘1’，‘2’，‘3’四种状态，并通过编码该单元实现了远场电磁波的分束和定向偏移。其特征在于，包括：

全介质编码单元主体结构由长方体底座和其上的交叉介质柱组成，通过改变介质X臂的厚度来设计不同编码，底部使用PEC材料防止电磁波透射。使用硅作为该超材料结构的介质材料，其相对介电常数为11.9。

所述的主体结构如图1所示，该结构单元周期P＝100um，介质柱高度H＝140um，单元的X臂的宽度由长度L作为变量，单元0的X臂的长为L＝80um，宽为L/4＝20um；单元1的X臂长为L＝60um，宽为L/4＝150um；单元2的X臂长为L＝40um，宽为L/4＝10um；单元3的X臂长为长为L＝20um，宽为L/4＝5um。

所述的底面PEC反射层结构单元如图一所示，为长宽100mm，高度2mm的长方体层附着在硅结构下。

通过介质X臂的厚度改变而设计的单元，其反射相位需要进行归一化处理，并根据不同的相位定义为不同数字状态，由于采用2bit编码，因此编码出0，1，2，3四种状态。为了计算分析的方便和减小单元间耦合对计算结果的影响，我们将M×M个状态相同的单元晶胞组成超级单元，最终超表面由N×N个超级单元组成。

本发明的有益效果是：

(1)使用全介质超材料的结构设计避免了传统金属单元易破碎、热传导性高、欧姆损耗高、对环境的适应能力较差等缺点，体积小，成本低；

(2)多波数调控：1bit编码时，改变编码超表面的编码模式可以获得两束或者四束电磁波并消除主反射方向。在2bit时可以获得单束偏折波。

(3)多角度调控：在1bit时，改变编码超表面的编码的周期性便可以改变两束或者四束的消除主反射方向的轴对称反射波的角度θ。在2bit改变编码模式可以获得θ不变φ改变的单独的偏折波。

附图说明

图1(a)单元晶胞俯视图。(b)单元晶胞结构图。(c)四个单元晶胞示意图。

图2(a)单元晶胞相位图。(b)单元晶胞幅度图。A1,A2,A3,A4分别为编码单元‘0’、‘1’、‘2’、‘3’状态。