反射式极化变焦人工电磁表面的设计

人工电磁材料(metamaterials)[1]是将人造单元结构以特定方式排列形成的具有特殊电磁特性的人工结构材料, 具有自然材料所不具备的独特性质.2001年,美国加州大学圣迭戈分校的史密斯教授等[2]在实验室制造出世界上第一个负折射率的超材料样品,并实验证明了负折射现象与负折射率而备受学术界关注.特别是Pendry教授[3-4]将变换光学的理论引入到该领域后,各种新型的人工电磁器件相继出现,如隐身大衣[5-6]、完美透镜[7]、电磁波旋转器[8]、电磁波集中器[9]、波束偏折器[10]等.虽然人工电磁材料经过各国学者的努力获得长足的发展,但绝大多数工作尚停留在实验研究阶段,其主要原因是设计复杂、体积庞大及造价高昂.

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人工电磁表面(metasurfaces)是将人工电磁材料的空间区域被定义为一个平坦的表面或者分界面,由于其具有更低的空间维度,使得其组成的电磁器件具有体积小、损耗低及成本低廉的特点,而成为最近人工电磁领域的研究热点.自Capasso教授[11-12]提出广义斯涅耳定律,引入电磁波在人工电磁表面反射或者透射时产生的相位不连续性,进而产生了异常反射和折射行为,许多新型的人工电磁表面器件被相继实现,如极化表面等离子激元耦合器[13]、三维全息图像重构[14]、超薄表面透镜[15-16]以及其他功能器件[17-18].然而,目前已报道的人工电磁表面多为透射式器件,其最大的缺点是传输效率较低.反射式人工电磁表面多采用金属+介质+金属的结构,能够实现对电磁波的高效调控,其效率接近100%.入射电磁波能够被底层金属全反射,但其反射相位能够借助表层金属单元独立调控.一些反射式人工电磁表面被实现,如传输波转换表面波器件[19]、聚焦平面[20-21]、异常反射[22-23]、声学器件[24]等,这些反射器件都是均匀人工电磁,即对X极化和Y极化电磁波具有同样的响应.只有少量关于各向异性的人工电磁表面能够实现对不同极化电磁波进行独立调控[25-28].

2.2 两组患儿治疗前后呼吸指数指标比较 治疗前两组患儿呼吸指数指标比较，差异无统计学意义(均P>0.05)，治疗后患儿心率、呼吸显著降低，氧合指数显著升高，且观察组患儿心率、呼吸显著低于对照组,氧合指数显著高于对照组，差异有统计学意义(均P<0.05)。见表3。

本文采用耶路撒冷十字基本单元,按照金属+介质+金属的结构,该结构对不同极化态的电磁波具有各向异性响应,进而实现反射电磁波相位可由垂直极化方式独立调控.根据上述单元,提出一种各向异性反射式人工电磁表面,实现焦距可根据X极化和Y极化进行独立调控,且两种模式互不影响.

1 器件设计

其中:ni为入射平面介质折射率;θi、θr分别为入射角和反射角；λ为电磁波的工作波长；为沿着界面的相位梯度.根据该公式可知,适当调节可以实现电磁波沿任意方向反射,当则发生正常反射,当将发生异常反射,如图1所示.

 

广义反射定律为

  

图1 广义反射定律Fig.1 Generalized reflection law

在CST软件中测试其反射系数,具体设置：x为电壁(Et=0),y为磁壁(Ht=0),z为开放条件(open).其反射系数结果如图3所示,可以看出其反射相位近似覆盖360°,同时其反射衰减很小.

  

图2 基本单元正面、侧面、底面Fig.2 Front,side,bottom of the unit cell

若某一单元结构具有X和Y方向两个自由度对应电磁波两种极化态,则可通过调节不同方向的参数获得对不同极化电磁波的调控,进而实现极化功能器件.由相位分布公式可知,反射相位范围须覆盖-π～π.因此人工电磁表面组成的基本单元必须满足反射相位变化覆盖360°且反射衰减很小,根据以往研究成果选择耶路撒冷十字为基本单元,其基本结构如图2所示.选择基本单元为金属+介质+金属的三明治结构,上下金属层为0.018 mm厚的铜,介质层厚度为2 mm,介电常数为εr=3.5,a=6 mm,w=0.5 mm,上层金属结构在x和y方向尺寸均可通过改变参数L数值进行调节.

按照图3的对应关系,将反射相位同单元尺寸相对应.以获得X极化时反射相位175.7°和Y极化时反射相位172.9°的单元尺寸为例,画出X极化时反射相位175.7°和Y极化时反射相位172.9°的所有单元组合如图5所示,其交点即同时满足不同极化状态所需反射相位的单元,其横纵坐标数值即为所需单元尺寸.

  

图3 基本单元的反射系数Fig.3 Reflection coefficient of unit cell

根据透镜成像公式：

 

其中:φ为反射相位;k0=2π/λ是自由空间的波矢量;f是透镜焦距.工作频率设为10 GHz,X极化焦距为50 mm,Y极化焦距为30 mm,对应的相位分布如图4所示.横坐标代表沿x轴的位置,纵坐标代表该位置所需不同极化时电磁波反射相位.

  

图4 系统相位分布Fig.4 System phase distribution

威廉·福克纳(William Faulkner)是尼采透视美学思辨的继承人与实践者。透视美学思辨在其“力作”《在我弥留之际》中得到充分体现。全书由多达19个不同人物视角下的内心独白构建。小说讲述了艾迪的死亡和其棺木在前往安葬地途中发生的故事。本文以小说主人公艾迪为切入点，通过其独特视角展现尼采式透视美学思辨，旨在证实福克纳实现了艺术与哲学思辨的交融。

  

图5 单元尺寸选取方法Fig.5 Selection method of dimensions of unit cell

2 仿真验证

在CST软件中,按照图5所示方法获得所有单元尺寸,搭建反射式变焦极化人工电磁表面(如图6所示).

  

图6 极化变焦人工电磁表面Fig.6 Reflection polarizations zoom metasurfaces

将入射电磁波分别设为X极化和Y极化,仿真结果如图7所示.人工电磁表面上方的仿真区间为100 mm,当X极化电磁波入射时其将反射电磁波聚焦到50 mm处,当Y极化电磁波入射时其将反射电磁波聚焦到30 mm处,进而实现了同一人工电磁表面对不同极化态的电磁波进行独立调控.同时发现在人工电磁表面边界会对入射电磁波起到一定的发散效果,主要是由于理论设计人工电磁表面是周期连续器件,而在实际仿真时设计的为有限结构阵列,因而在边界处会出现相位不连续变化现象.

2017年8月，中央纪委监察部网站披露了鲍学全、王云戈被“双开”的消息。经查，鲍学全违反中央八项规定精神，超标准使用办公用房；违反廉洁纪律，收受礼金、购物卡；违反生活纪律，与他人发生不正当性关系；利用职务上的便利为他人谋取利益并收受财物，涉嫌受贿犯罪。

  

图7 X极化和Y极化时近场扫描Fig.7 Near-field scanning of X-polarization and Y-polarization

3 结论

按照广义菲涅尔反射定律,借助具有两个自由度的金属+介质+金属的耶路撒冷单元结构,通过合理选取每个单元尺寸,设计出反射式极化变焦人工电磁表面,能够实现焦距按入射电磁波极化状态独立调控,该电磁器件与传统的极化电磁器件相比具有结构简单、体积小和价格低廉等优势.CST仿真结果和理论分析相一致,同时该设计多功能电磁器件的方法还可推广到太赫兹波段,甚者光波段.

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