[發明專利]空頻域梯度超材料及其設計方法

在審

• 申請號: 201811421680.9
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN109286078A
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發明（設計）人: 崔鐵軍;吳浩天
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 葉涓涓

本發明提供了一種空頻域梯度超材料及其設計方法，首先按具體功能要求，計算空頻域梯度超材料在工作頻段內的空間梯度與頻率梯度；其次確定一個參考單元并仿真得到其相位響應曲線；將一維空間梯度與頻率梯度依次疊加至參考單元相位曲線得到一組滿足要求的相位曲線族；如需要再對每一條相位曲線依次疊加正交方向的空間梯度與頻率梯度，最終仿真得到一維或二維超材料單元組。本發明通過空間梯度和頻率梯度的結合得到相位梯度隨頻率變化的空頻域梯度超材料，可以實現對電磁波的連續自由調控，可在工作頻段內實現多種不同功能，例如無源情況下電磁波在一維、二維空間的靈活掃描，以及渦旋波模式的連續變換等。

技術領域

本發明屬于新型人工電磁材料技術領域，具體涉及一種相位梯度隨頻率變化的超材料及其設計方法。

背景技術

新型人工電磁材料，也被稱作電磁超材料(Metamaterials)，是將具有特定幾何形狀的基本單元周期/非周期性地排列而構成的一種新型人工材料。在過去的20年里，電磁超材料發展迅速，產生了很多有趣的物理現象如負反射、負折射和光學隱身等，也被用于設計新型電磁器件，如數字編碼超材料，超材料透鏡、全息超材料等。通過調制亞波長單元結構和其分布的，超材料在控制電磁波傳播方面具有極大的靈活性。超材料的表面相位分布在實現一些有趣功能中起著關鍵作用，而現有的理論通常關注于超材料相位在空間的分布特點，而較少研究其頻域特性，因此目前超材料設計自由度不高，無法對電磁波進行連續自由調控。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出空頻域梯度超材料的概念，在空間梯度相位超材料的基礎上將頻率梯度引入超材料以增加新的自由度。其中，空間梯度是超材料在指初始頻率處的相位梯度，而頻率梯度是指超材料相位梯度隨頻率的導數，兩者的結合可以實現對電磁波更靈活的調控。在本發明中我們建立了空頻域梯度超材料的設計流程，并分析了空頻域梯度超材料的兩種典型應用：電磁波束二維空間連續掃描和渦旋模式的連續變換。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種空頻域梯度超材料的設計方法，包括如下步驟：

步驟1，按具體功能要求，計算空頻域梯度超材料在工作頻段內的表面相位梯度，并分別計算出其空間梯度與頻率梯度；

步驟2，確定一個參考單元并仿真得到其相位響應曲線；

步驟3，將一維空間梯度與頻率梯度依次疊加至參考單元相位曲線得到一組滿足一維空頻域梯度要求的相位曲線族；

步驟4，根據所計算的相位梯度分布，仿真確定滿足其相位與幅度響應的電磁單元，確定其具體結構后按所需實現功能進行排布，構成空頻域梯度超材料。

進一步的，在步驟3和步驟4之間，還包括如下步驟：

在得到一維空頻域梯度超材料單元相位曲線后，對每一條相位曲線依次疊加正交方向的空間梯度與頻率梯度，得到滿足二維空頻域梯度要求的相位曲線族。

進一步的，在步驟3得到相位曲線組之后，還通過仿真得到與之對應的一維空頻域超材料單元組。

進一步的，在方位角方向設計空間梯度與頻率。

進一步的，空頻域梯度超材料在工作頻段的表面梯度相位表示為：

Ψ(f)＝γ₀+γ₁(f-f₀)+γ₂(f-f₀)²+...+γ_n(f-f₀)ⁿ+γ_n+1(f')ⁿ⁺¹ (1)

(f₀≤f'≤f)；