一種太赫茲寬帶隨機(jī)表面的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新型人工材料領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲寬帶隨機(jī)表面。
【背景技術(shù)】
[0002]新型人工電磁材料是一種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，由若干亞波長(zhǎng)單元按照周期或準(zhǔn)周期排列組成，具有自然界媒質(zhì)所不具備的電磁性質(zhì)。通過改變單元結(jié)構(gòu)及其空間排列來改變電磁波傳播路徑上空間的電磁特性，從而控制電磁波的傳播。
[0003]新型人工電磁材料超表面屬于新型人工電磁材料領(lǐng)域，特點(diǎn)是僅需很薄的厚度就能完成對(duì)電磁波傳播的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，能有效的實(shí)現(xiàn)寬帶，大角度范圍入射的低散射隨機(jī)表面。通過對(duì)基本單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)單元諧振頻率的微調(diào)，入射波的反射相位也相應(yīng)改變。通過在陣列表面的不同位置，選取不同反射相位的單元，可以讓整個(gè)陣列表面對(duì)入射波形成一種類似漫反射的效果，讓能量向不同的方向反射，從而減少主散射方向上的散射能量。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述問題，本文發(fā)明了一種太赫茲寬帶隨機(jī)表面，包括若干個(gè)具有不同貼片尺寸的單元陣，每個(gè)單元陣由若干個(gè)相同的諧振單元組成；所述諧振單元包括金屬貼片層、介質(zhì)層和金屬地板層，所述介質(zhì)層位于金屬貼片層和金屬地板層之間；所述諧振單元有兩種結(jié)構(gòu):第一種井字形單元結(jié)構(gòu)，是井字形的金屬環(huán)帶包圍一個(gè)正方形的金屬片；第二種回字形單元結(jié)構(gòu)，是口字形的金屬環(huán)帶包圍一個(gè)正方形的金屬片。
[0006]進(jìn)一步的，第一種井字形單元結(jié)構(gòu):單元周期為S1= 100 μ m，介質(zhì)層厚度為t =30 μ m，井字形金屬環(huán)帶的線寬為(I1= 5 μ m，井字的枝節(jié)長(zhǎng)度為b工，井字形金屬環(huán)帶與中心金屬方塊的間隔為gi= 5 μπι ;第二種回字形單元結(jié)構(gòu):單元周期為a 2= 100 μm，介質(zhì)層厚度為t = 30 μπι，回字形金屬環(huán)帶的線寬為d2= 5 μπι,中心金屬方塊的邊長(zhǎng)為b 2，回字形金屬環(huán)帶與中心方塊金屬的間隔為g2= 5 μπι ;所述b丨取值從5 μπι到20 ym，b 2取值從12 μπι到21 μ m,通過bjP b 2在規(guī)定范圍內(nèi)的變化取值形成若干個(gè)尺寸不等的單元陣，若干個(gè)尺寸不等的單元陣的反射相位的變化范圍在歸一化之后能夠覆蓋O?360°的范圍。
[0007]進(jìn)一步的，bjPb2值的確定方法:首先通過軟件生成一個(gè)二維隨機(jī)矩陣，二維隨機(jī)矩陣單元的取值范圍為O到360內(nèi)的整數(shù)值，該二維隨機(jī)矩陣單元代表了隨機(jī)表面每個(gè)單元陣的相位值；然后，利用相位和尺寸匕、匕之間的數(shù)值關(guān)系，通過單元陣相位的二維隨機(jī)矩陣得到隨機(jī)表面單元陣的尺寸矩陣，即匕、b2的取值矩陣。
[0008]進(jìn)一步的，調(diào)整諧振單元參數(shù)，可控制隨機(jī)表面工作在除太赫茲波段以外的其他頻段。
[0009]進(jìn)一步的，若干個(gè)具有不同貼片尺寸的單元陣組成陣列，且若干個(gè)單元陣的排列方式為隨機(jī)排列，或者是通過粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化。使反射波的能量最均勻地向各個(gè)方向反射。
[0010]進(jìn)一步的，所述介質(zhì)層的材料為有機(jī)高分子聚合物介質(zhì)材料，厚度為微米量級(jí)。
[0011]進(jìn)一步的，所述介質(zhì)層的材料為聚酰亞胺。
[0012]進(jìn)一步的，所述金屬地板層的膜層厚度為200-250納米。使電磁波無法透射。
[0013]本發(fā)明單元結(jié)構(gòu)有井字形和回字形兩種。這兩種單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸微調(diào)時(shí)的反射相位歸一化到O?360度后，能夠完全覆蓋O?360度的變化范圍，從而可以完美地模擬自然界中漫反射的情況，將入射波反射到任意的方向。為了使反射波的能量最均勻地向各個(gè)方向反射，陣列中不同反射相位單元陣的排列方式可以使用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。
[0014]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì):
[0015]1、本發(fā)明制作簡(jiǎn)單，加工方便，考慮到加工精度問題，采用了兩種單元結(jié)構(gòu)，使反射相位完全覆蓋O?360度變化范圍。僅用一層結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)共形等特殊目標(biāo)，同時(shí)避免了多層結(jié)構(gòu)的加工誤差。
[0016]2、本發(fā)明利用多諧振結(jié)構(gòu)拓寬了工作頻帶，單元的隨機(jī)排布制造出類似漫反射的效果，散射波干涉相消，可以在較寬的帶寬的情況下顯著降低后向散射主要散射方向上的強(qiáng)度，工作的環(huán)境要求較低，適應(yīng)能力強(qiáng)。
[0017]3、本發(fā)明不僅能降低正入射電磁波的后向散射強(qiáng)度，在電磁波以較大角度斜入射時(shí)，仍具有顯著的抑制作用。這一特點(diǎn)使得本發(fā)明具有更好的隱身作用，能更好地適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用。
【附圖說明】
[0018]圖1a隨機(jī)表面的示意圖。圖1b是井字形單元結(jié)構(gòu)的示意圖。圖1c是回字形單元結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0019]圖2a井字形單元結(jié)構(gòu)在中心頻率的反射相位隨井字的枝節(jié)長(zhǎng)度b/變化的曲線。圖2b回字形單元結(jié)構(gòu)在中心頻率的反射相位隨中心金屬方塊的邊長(zhǎng)b2變化的曲線。圖2a陰影部分是受目前工藝限制，無法加工的尺寸，用圖2b的陰影部分代替。
[0020]圖3a 在 S1= 100 Uiibb1= 8 μπι, g != 5 μπι, d != 5 μπι 時(shí)井字形結(jié)構(gòu)的反射幅度和相位隨頻率的變化曲線。圖3b在a2= 100 μ m, b 2= 20 μ m, g 2= 5 μ m，d 2= 5 μ m時(shí)回字形結(jié)構(gòu)的反射幅度和相位隨頻率的變化曲線。圖3c是井字形結(jié)構(gòu)和回字形結(jié)構(gòu)諧振時(shí)的電流示意圖。
[0021]圖4a井字形結(jié)構(gòu)在不同入射角度時(shí)反射相位隨頻率變化的曲線。圖4b回字形結(jié)構(gòu)在不同入射角度時(shí)反射相位隨頻率變化的曲線。
[0022]圖5a入射波垂直入射時(shí)，反射系數(shù)的仿真結(jié)果?？v坐標(biāo)為I的曲線是與隨機(jī)表面等尺寸的金屬平板的反射系數(shù)，縱坐標(biāo)接近O的曲線是隨機(jī)表面的反射系數(shù)。圖5b入射波垂直入射時(shí)，反射系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。縱坐標(biāo)為I的曲線是與隨機(jī)表面等尺寸的金屬平板的反射系數(shù)，縱坐標(biāo)接近O的曲線是金屬結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)。
[0023]圖6 (a-c)入射波垂直入射到隨機(jī)表面上時(shí)，隨機(jī)表面分別在1，1.4和1.7THz時(shí)的三維散射方向圖。圖6(d-f)入射波垂直入射到隨機(jī)表面上時(shí)，隨機(jī)表面分別在1，1.4和1.7THz時(shí)在xoy平面的散射方向圖。圖6(g_i)入射波垂直入射到與隨機(jī)表面等大小的金屬平板上時(shí)，隨機(jī)表面分別在I，1.4和，1.7THz時(shí)的散射方向圖。圖6(j-l)入射波垂直入射到與隨機(jī)表面等大小的金屬平板上時(shí)，隨機(jī)表面分別在1，1.4和1.7THZ時(shí)在xoy平面的散射方向圖。
[0024]圖7隨機(jī)表面樣品實(shí)物圖和加工流程示意圖。
[0025]圖8對(duì)比金屬板和隨機(jī)表面分別在20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°的散射幅度隨頻率變化的曲線。圖8a入射波角度為20°，圖8b入射波角度為30°，圖8c入射波角度為40°。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0027]如圖1a所示，一種太赫茲寬帶隨機(jī)表面，包括若干個(gè)具有不同貼片尺寸的單元陣，每個(gè)單元陣由若干個(gè)形狀相同的諧振單元組成；所述諧振單元包括金屬貼片層、介質(zhì)層和金屬地板層，所述介質(zhì)層位于金屬貼片層和金屬地板層之間；所述諧振單元有兩種結(jié)構(gòu):第一種井字形單元結(jié)構(gòu)，是井字形的金屬環(huán)帶包圍一個(gè)正方形的金屬片；第二種回字形單元結(jié)構(gòu)，是口字形的金屬環(huán)帶包圍一個(gè)正方形的金屬片。
[0028]圖1b是第一種井字形單元結(jié)構(gòu):單元周期為S1= 100 μπι，介質(zhì)層厚度為t =30 μ m，井字形金屬環(huán)帶的線寬為(I1= 5 μ m，井字的枝節(jié)長(zhǎng)度為b工，井字形金屬環(huán)帶與中心金屬方塊的間隔為g:= 5 μπι ;圖1c第二種回字形單元結(jié)構(gòu):單元周期為a2= ΙΟΟμπι，介質(zhì)層厚度為t = 30 μπι，回字形金屬環(huán)帶的線寬為d2= 5 μπι，中心金屬方塊的邊長(zhǎng)為b 2，回字形金屬環(huán)帶與中心方塊金屬的間隔為g2= 5 μπι ;所述b丨取值從5 μπι到20 μπι，b 2取值