一種多比特電磁編碼超材料的制作方法
【專利摘要】一種多比特電磁編碼超材料或超表面是由在較寬頻帶內(nèi)相位差保持基本穩(wěn)定的有限種的電磁超材料單元按照一定規(guī)律排列而成?？捎上辔豁憫?yīng)由低到高依次相差接近90度的四種電磁超材料單元（分別記為“00”，“01”，“10”和“11”單元），按一定編碼規(guī)律排布可構(gòu)成二比特電磁編碼超材料或超表面；或由相位響應(yīng)由低到高依次相差接近45度的八種電磁超材料單元（分別記為“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”和“111”單元），按一定編碼規(guī)律排布可構(gòu)成三比特電磁編碼超材料或超表面；以此類推。采用多比特電磁編碼超材料或超表面，無需從等效媒質(zhì)參數(shù)的角度來設(shè)計，而只需設(shè)計相應(yīng)的編碼次序，就可以調(diào)控電磁波，實現(xiàn)預(yù)期的各種功能，具有易于設(shè)計、易于加工、工作頻帶寬等優(yōu)點。
【專利說明】一種多比特電磁編碼超材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型人工電磁材料領(lǐng)域，具體涉及一種多比特電磁編碼超材料。
【背景技術(shù)】
[0002]新型人工電磁材料，又稱電磁超材料，由于其控制電磁波傳播的能力，在過去十幾年中吸引了來自各界的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有的電磁超材料，通常是由特定幾何形狀的亞波長基本單元按周期或非周期結(jié)構(gòu)排列組成，在分析與研究其對電磁波的調(diào)控時通常采用連續(xù)的、宏觀均勻或非均勻等效媒質(zhì)參數(shù)來描述。類比于模擬電路，可將其稱為“模擬電磁超材料”。
[0003]與之相對應(yīng)，本發(fā)明中涉及的電磁超材料可稱為“數(shù)字電磁超材料”，或電磁編碼超材料。作為電磁編碼超材料最簡單的形式，一比特電磁編碼超材料僅選用相位差接近180度的兩種基本單元(記為“O”單元和“ I ”單元)，按照一定規(guī)律排列“O”和“ I ”單元構(gòu)成電磁超材料(或超表面)，以實現(xiàn)所需要的設(shè)計功能。多比特電磁編碼超材料則選用相位差基本保持穩(wěn)定的有限種電磁超材料單元，按一定編碼規(guī)律排列構(gòu)成電磁超材料或超表面，以實現(xiàn)所需要的設(shè)計功能。例如，由相位響應(yīng)由低到高依次相差接近90度的四種電磁超材料單元(分別記為“00”，“01”，“10”和“11”單元)，按一定編碼規(guī)律可構(gòu)成二比特電磁編碼超材料或超表面；由相位響應(yīng)由低到高依次相差接近45度的八種電磁超材料單元(分別記為“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110” 和 “111” 單元)，按一定編碼規(guī)律可構(gòu)成三比特電磁編碼超材料或超表面；以此類推。多比特電磁編碼超材料具有一比特電磁編碼超材料同樣的優(yōu)點:即無需從等效媒質(zhì)參數(shù)的角度來分析與設(shè)計，而只需設(shè)計相應(yīng)的編碼次序；同時，由于多比特電磁編碼超材料可以提供更多的編碼組合，由其所構(gòu)成的電磁超材料對電磁波的調(diào)控更加自由，能實現(xiàn)的功能更加豐富，調(diào)控效果也優(yōu)于一比特電磁編碼超材料，在高性能天線、減小雷達(dá)散射截面(RCS)等方面都具有更廣闊的應(yīng)用前景。未來還可與FPGA等硬件結(jié)合，通過數(shù)字切換實現(xiàn)真正的數(shù)字電磁超材料(或超表面)，以數(shù)字形式調(diào)控其多重功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種多比特電磁編碼超材料，所述超材料可具體為超表面。這種電磁編碼超材料按編碼位數(shù)可分為二比特電磁編碼超材料、三比特電磁編碼超材料等。以二比特電磁編碼超材料為例，選取在較寬頻帶內(nèi)相位響應(yīng)由低到高依次相差90度的四種電磁超材料基本單元分別作為“00”、“01”、“ 10”與“ 11”編碼單元，通過設(shè)計這四種單元的編碼順序來調(diào)控電磁波，可使所構(gòu)成的電磁超材料或超表面實現(xiàn)所需的功能。類似地，由相位響應(yīng)由低到高依次相差接近45度的八種電磁超材料單元(分別記為“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”和“111”單元)，按一定編碼規(guī)律可構(gòu)成三比特電磁編碼超材料或超表面；以此類推。這種多比特電磁編碼超材料的主要特點在于方便應(yīng)對不同的功能，設(shè)計過程簡單，采用的電磁超材料易于加工。[0005]本發(fā)明的多比特電磁編碼超材料或超表面由在較寬頻帶內(nèi)相互之間相位差保持基本穩(wěn)定的有限種類的電磁超材料單元按照設(shè)計好的排布規(guī)律構(gòu)成。
[0006]對于二比特電磁編碼超材料或超表面，選取在較寬頻帶內(nèi)相位響應(yīng)由低到高依次相差90度的四種電磁超材料基本單元分別作為“00”、“01”、“10”與“11”編碼單元按照設(shè)計好的編碼規(guī)律構(gòu)成。
[0007]對于三比特電磁編碼超材料或超表面，選取在較寬頻帶內(nèi)相位響應(yīng)由低到高依次相差45度的八種電磁超材料基本單元分別作為“ 000 ”，“ 001”，“ OIO ”，“ 011”，“ 100 ”，“ 101”，“ 110 ”和“ 111”編碼單元按照設(shè)計好的編碼規(guī)律構(gòu)成。
[0008]更多比特電磁編碼超材料或超表面的構(gòu)成依此類推。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
1.本發(fā)明從編碼設(shè)計的角度分析與研究由電磁超材料或超表面對電磁波的調(diào)控作用，避開了等效媒質(zhì)參數(shù)的考量，更加直觀、簡便，并易于設(shè)計。
[0010]2.本發(fā)明可通過不同的編碼組合實現(xiàn)電磁超材料或超表面對電磁波的多種調(diào)控功能，包括實現(xiàn)特定的散射方向圖、減小RCS，且與一比特電磁編碼超材料相比其調(diào)控效果更優(yōu)。
[0011 ] 3.本發(fā)明具有寬帶特性。在本發(fā)明中使用的電磁超材料單元保證構(gòu)成的電磁編碼超材料及超表面在寬頻帶內(nèi)均能實現(xiàn)所設(shè)計的功能。
[0012]4.本發(fā)明加工方便、易于實現(xiàn)。在本發(fā)明中采用的電磁超材料單元有成熟的低成本加工技術(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是多比特電磁編碼超材料或超表面的理論模型示意圖。對于二比特電磁編碼超材料或超表面，每一個柵格中的”xx”代表“00”，“01”，“10”和“11”的四種電磁超材料單元中的一種。
[0014]圖2是二比特電磁編碼超材料或超表面中實現(xiàn)“00”、“01”、“10”與“11”的電磁超
材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3 二比特電磁編碼超材料或超表面中實現(xiàn)“00”、“01”、“10”與“11”的電磁超材
料單元的相頻曲線。
[0016]圖4是二比特電磁編碼超表面在0001101100011011編碼組合下，對垂直入射電磁波散射波形的調(diào)控結(jié)果圖，其中:
(a)是二比特電磁編碼超表面結(jié)構(gòu)和觀測平面上近場示意圖；
(b)是三維遠(yuǎn)場散射方向圖。
[0017]圖5是88個柵格，在優(yōu)化編碼組合下，二比特電磁編碼超表面對垂直入射電磁波散射場主波束抑制效果圖，其中:
(a)是該二比特電磁編碼超表面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018](b)是7-16GHz頻帶內(nèi)單站RCS縮減的仿真曲線。
[0019](c)、(d)、(e)、(f)分別是 8GHz、IOGHz、13GHz 和 15GHz 下，雙站 RCS 三維散射方向圖。
[0020](g)是相同規(guī)格一比特電磁編碼超表面在7.5-13GHz頻帶下,單站RCS縮減的仿真與實測數(shù)據(jù)曲線。
【具體實施方式】:
本發(fā)明中，以在較寬頻帶內(nèi)相差保持基本穩(wěn)定的有限種類的電磁超材料單元作為基本編碼單元，通過設(shè)計不同的編碼組合，構(gòu)成能實現(xiàn)特定功能的電磁超材料或超表面。下面以二比特電磁編碼超表面為實例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0021]圖1是多比特電磁編碼超表面的理論模型示意圖，電磁超表面由邊長為D的剛個柵格組成，每個柵格由代表同一編碼的電磁超材料單元陣列構(gòu)成。本發(fā)明的一個實例中，我們選取88個邊長為的柵格構(gòu)成電磁超表面，每個柵格由77個電磁超材料單元組成。整個超表面尺寸為280mm280mm。對于兩比特電磁編碼超材料，每一個柵格中的”XX”代表“00”，“01”，“ 10 ”和“ 11 ”的四種電磁超材料單元中的一種。
[0022]構(gòu)成二比特電磁編碼超表面的電磁超材料單元的結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的相頻曲線如圖2和圖3所示?！?0”、“01”、“10”與“11”單元均由印制在介質(zhì)基片上的方形金屬片構(gòu)成。整個單元為邊長的正方形結(jié)構(gòu)。介質(zhì)基片厚度，介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.001，金屬片厚度。對于“00”單元，方形金屬片邊長，對于“01”單元，方形金屬片邊長，對于“10”單元，方形金屬片邊長，對于“ 11 ”單元，方形金屬片邊長。如圖2所示，在較寬頻段內(nèi)，四種電磁超材料單兀的相位響應(yīng)由低到聞相差基本保持在90度左右。
[0023]圖4展示了 二比特電磁編碼超表面在0001101100011011編碼組合下，對垂直入射電磁波散射波形的調(diào)控結(jié)果。其結(jié)果符合單元相位響應(yīng)的梯度變化。
[0024]圖5展示了按優(yōu)化編碼組合下，二比特電磁編碼超表面對垂直入射電磁波散射場主波束的抑制效果。88個柵格的電磁超表面按優(yōu)化編碼組合設(shè)計。實驗顯示二比特電磁編碼超表面比一比特電磁編碼超表面具有更好的縮減RCS效果，其單站RCS縮減IOdB帶寬從
7.5GHz提高到15GHz，具有優(yōu)異的寬帶特性。
[0025]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多比特電磁編碼超材料，其特征在于所述電磁編碼超材料(2)由在寬頻帶內(nèi)相互之間相差基本保持穩(wěn)定的有限種類的電磁超材料單元(I)按一定規(guī)律排列構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多比特電磁編碼超材料，其特征在于對于二比特電磁編碼超材料，所選用的電磁超材料單元為4種,所述4種電磁超材料單元的相位響應(yīng)由低到高依次相差接近90度，分別記為“00”，“01”，“ 10”和“ 11”單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多比特電磁編碼超材料，其特征在于對于三比特電磁編碼超材料，所選用的電磁超材料單元為8種,所述8種電磁超材料單元的相位響應(yīng)由低到高依次相差接近 45 度，分別記為“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”和“111” 單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多比特電磁編碼超材料，其特征在于對于多比特電磁編碼超材料的構(gòu)成依此類推。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多比特電磁編碼超材料，其特征在于在寬頻帶內(nèi)可根據(jù)有限種類電磁超材料單元(I)的排列規(guī)律來設(shè)計和控制電磁超材料(或超表面)所要實現(xiàn)的功倉泛。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項權(quán)利要求所述的多比特電磁編碼超材料，其特征在于所述超材料為超表面。
【文檔編號】H01Q15/00GK103928764SQ201410145132
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】崔鐵軍, 齊美清, 陳天一, 趙捷, 程強(qiáng) 申請人:東南大學(xué)