编码式超材料coding metamaterial结构的散射特性分析(3)
1.2.3 超材料电磁吸波体发展现状
什么是电磁吸波体呢？电磁吸波体指的是能将投射到它表面的电子波能量的大部分吸收并转化成其它形式的能量(主要是热将投射到它表面的电磁波)而基本上没有反射的一类材料。将超材料应用到电磁吸波体是由Boston 大学的Landy在2008年最早提出的[18]。印刷在介质板两面的超材料单元构成了最早的窄带吸波体由，这种超材料单元的正面是开口谐振环、背面是间断的金属条带。当入射电磁波频率位于该结构谐振频率附近时，电磁波将被限制在该结构内并通过介质损耗被吸收掉。此后，超材料在电磁吸波体领域得到了广泛的应用。Hu等人设计并制造了应用在太赫兹频段的窄带超材料电磁吸波体[19]，Wen等人得到了窄带超材料电磁吸波体的在太赫兹频段下的等效电路模型[20]。赵晓鹏等人提出了能够有效吸收任意极化电磁波的一种外形类似树枝的窄带超材料吸波体，。Wakatsuchi等人实现了一种任意极化超材料吸波体并且它的带宽相对较宽，这种电磁吸波体是通过采用损耗截断线实现的[21]。
1.2.4 编码超材料的发展
编码超材料及数字超材料等概念的提出，为人工电磁材料的设计提供了更加丰富的设计途径[22]。超材料通微观层面具有等效介质参数的人工结构，这些超材料被称为‘模拟超材料’。这里，通过两步提出‘数字超材料’。首先，仅有两种晶胞构成的‘编码超材料’，带有0和π相位响应，我们分别将其命名为‘0’和‘1’元素。通过控制序列对‘0’和‘1’ 元素进行编码（即，1位编码），可以操控电磁（EM）波并实现不同的功能。编码超材料的概念可以从1位编码拓展到2位编码或更高。在2位编码中，需要四种晶胞来分别模拟‘00’, ‘01’, ‘10’和 ‘11’ 元素，其相位响应分别为0, π/2, π和3π/2。在控制电磁波方面，2位编码的自由度远远高于1位编码。其次，提出一种具有‘0’或‘1’响应的独特超材料颗粒，通过偏压二极管进行控制。基于该颗粒，我们介绍一种‘数字超材料’，其晶胞具有‘0’或‘1’状态[23]。通过使用场可编程门阵列，我们实现对数字材料的数字控制。通过不同编码序列的编程，单个数字超材料具有以不同方式控制电磁波的能力，以此实现“可编程材料”
2 超材料的电磁特性分析
2.1 左手特性分析
超材料(Metamaterials)是一类具有自然界中材料所不具有的超常物理特性的等效均匀人工复合结构或复合材料。自然界中的天然材料由原子或者分子够成，它的电磁特性用介电常数ε、磁导率µ来描述;而由人工构造的微结构组成的电磁超材料，其整体电磁特征用等效介电常数εeff,等效磁导率, µeff来描述。当电磁超材料的相对等效介电常数εre-eff、相对等效磁导率µre-eff变成小于1的正、负实数或者复数时，电磁波传播方式会发生根本性的变化，因此可以通过设计不同的微型结构来控制电磁波的传播。
从理论上将，按介电常数和磁导率的正负关系媒质空间可以划分在四个象限中，我们以介电常数为横坐标，磁导率为纵坐标，四种媒质可以划分为图2.1所示的情况。
可以看出，在第一象限中，媒质的介电常数ε和磁导率µ的值都是正的，通过Maxwell方程组可以得知，在此类媒质里面电磁波的电场、磁场和波矢量的关系呈现出右手螺旋关系，坡印廷矢量的方向和波矢量的方向一致(也就是说相速度和群速度的方向相同)。所以这类材料也叫作右手材料(Right-handed Materials, RHM），自然界中存在的大部分材料都属于右手材料。
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