CN104078771A - 一种数字式可编程超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种数字式可编程超表面，由数字控制单元和受控的人工电磁表面两部分所组成。其中，人工电磁表面是由周期排布的人工单元结构构成，每个人工单元结构集成了一个开关二极管，在两种不同的偏置电压下，人工单元结构可以呈现两种不同的电磁特性，即每个单元结构可以在两种电磁状态间实时切换。而这种切换由数字控制部分提供的偏置电压来实现，通过对不同单元结构提供不同的偏置电压，人工表面可以实现不同的电磁功能，每种功能对应数字控制单元的一组控制编码。本发明具有设计过程简单，应用灵活简便，易于加工等优点。在高性能天线、减小雷达散射截面等方面都有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁媒质领域，具体涉及一种基于可编程人工表面的数字式超表面。
背景技术
新型人工电磁媒质通常由周期或准周期排布的亚波长人工单元结构所组成，利用这种人工媒质，人们可以控制甚至设计电磁波的行为，这种能力使得新型人工电磁媒质在过去的十几年中吸引了来自各界的广泛关注。在人们应用新型人工电磁媒质的过程中，通常人工单元结构是均匀分布或者梯度变化的，即新型人工电磁媒质的媒质参数是常数或者在空间中缓慢的梯度变化，这意味新型人工电磁媒质服从连续的媒质参数分布，并且这种媒质参数分布一经实现，便不能再做变化。这种应用新型人工电磁媒质的方式存在以下不足：1.媒质参数的变化范围是未知的，有时人工单元结构所能实现的媒质参数不一定能满足理论设计的媒质参数要求；2.媒质参数分布一经实现便不能再做变化，只能实现设计好的固定的功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字式可编程超表面，解决现有人工电磁煤质参数未知且只能实现固定功能的问题。
本发明的数字式可编程超表面由数字控制单元和人工电磁表面两部分构成，所述人工电磁表面由周期排布的人工单元结构组成，每个人工单元结构集成了一个开关二极管，数字控制单元为开关二极管提供两种不同偏置电压使其导通或关断，使人工单元结构呈现对电磁波的反射相位相差180度的两种不同的电磁稳态。
本发明的人工电磁表面由一种特殊设计的人工单元结构组成，这种人工单元结构集成了一个开关二极管，在两种不同的偏置电压下，呈现两种不同的电磁稳态，这两种稳态对电磁波的反射相位相差180度，标记这种两种电磁稳态为“1”和“0”。数字控制部分提供每个人工单元结构的偏置电压，通过写入不同的控制字，可以对人工单元结构进行不同的编码，进而可以利用这种数字人工表面实现不同的电磁功能。这种数字式人工电磁表面极为显著地降低了对单元结构的参数要求，它只需要两种反射相位相差180度的电磁稳态。这避免了传统人工媒质的设计中，媒质参数未知且可能无法实现的问题。另外，这种数字式人工电磁表面上单元结构的编码分布是实时可控的，不同的电磁功能可以通过数字控制单元写入不同的控制字而立即实现，这在传统人工媒质的设计中无法做到的。
本发明的数字式可编程超表面在实际应用中非常灵活，在高性能天线、减小雷达散射截面等方面具有重要应用前景。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.本发明中人工电磁表面的设计参数不再是连续的媒质参数，而是“0”和“1”的不同编码，通过不同的编码来控制电磁波实现不同的功能，这种设计方式更加灵活，并且避免了可能无法实现的媒质参数。
2.本发明中人工电磁表面的单元结构的编码是实时可控的，通过数字控制部分写入不同的控制字，可以实现不同的电磁功能，在实用中将更加方便。
附图说明
图1是一比特数字式超表面的理论模型示意图。
图2是人工单元结构的结构示意图以及其对应的相频曲线。
图3是数字式可编程超表面实物图。
图4是数字控制部分是人工表面的连接示意图。
图5是8.6GHz时，不同编码组合下一维数字式超表面散射图样实验结果示意图。
具体实施方式
本发明中，数字式可编程超表面由数字控制单元和人工电磁表面构成。其中，人工电磁表面由一种特殊设计的人工单元结构组成，这种人工单元结构集成了一个开关二极管，在两种不同的偏置电压下，呈现两种不同的电磁稳态，标记这两种电磁稳态为“1”和“0”。数字控制单元提供每个人工单元结构的偏置电压，不同的偏置电压使相应单元结构可以在两种电磁稳态间实时切换。通过数字控制单元写入不同的控制字，可以对人工单元结构进行不同的编码，在不同的编码下，单元结构的反射相位随之不同，这种不同的反射相位相互干涉可以形成不同的反射波，我们可以通过调制数字式人工电磁表面的编码实现不同的电磁功能，比如RCS缩减，定向辐射电磁波等等。下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是数字式可编程超表面的理论模型示意图。
每个网格中的码字相同，每个网格可以由一个或者多个人工单元结构组成，网格的长度为D，D的电长度通过仿真优化获得。网格的反射相位由表示，在不同偏置电压下可呈现两种反射相位相差180度的电磁稳态，分别模拟如(1)所示的数码“0”或“1”，多个网格可以构成整个数字式表面，如(2)所示。
人工单元的结构示意图以及对应的相频曲线如图2所示。
图2中(a)展示了本发明一实施例的人工单元的具体结构，两块对称的平面金属结构(Metamaterial Structure)被印制在F4B基片(Substrate)正面，其间跨接一个开关二极管(偏压二极管Biased Diode)。对应于二极管的开和关两种状态，这种特殊设计的单元结构可以保证在设计的频点(本实施例为8.6GHz)获得相差180度的反射相位。基片背面的金属背板(Ground)被一条窄缝分成两个部分，两个部分通过过孔(Via Hole)分别与基片正面的两块金属结构相连。直流电源两极分别与两个部分相连为二极管提供偏置电压。整个微粒的尺寸为，在中心频率处相当于0.172λX0.172λX0.057λ。在人工单元的设计中，需要保证单元结构在加载二极管后可以在设计的频点获得相差180度的反射相位，具体结构的形式(比如平面金属的具体结构)可以根据软件仿真获得，设计人员可以根据此原则设计满足具体需求的单元结构形式。
图2中(b)是该人工单元结构的相频曲线。当偏置电压为3.3V(对应数字控制单元的控制码“1”)时，二极管呈导通状态，人工单元结构可以模拟数码“1”；当偏置电压为0时(对应数字控制单元的控制码“0”)，二极管呈关断状态，人工单元结构可以模拟数码“0”。如图所示，在8.3GHz到8.9GHz频段内，两种状态下电磁超材料人工单元结构的相差接近180度，且在8.6GHz频点上，两种状态下电磁超材料人工单元结构的相差恰为180度。
在不同的编码下，单元结构的反射相位随之不同，这种不同的反射相位相互干涉可以形成不同的反射波，我们可以通过调制数字式人工电磁表面的编码实现不同的功能，比如RCS缩减，定向辐射电磁波等等。
图3展示了数字式可编程超表面的实物模型。其中：
(a)是数字式可编程超表面实物正面示意图；
(b)是FPGA数字控制单元，用于对数字式可编程超表面写入不同的编码；
(c)是数字式可编程超表面实物背面示意图；
(d)是数字式可编程超表面实物局部放大示意图。
在本实施例中，数字式可编程超表面由30X30个人工单元结构组成。在我们的设计中，D的长度为0.86λ，即5个人工单元结构的长度。因此每相邻的5列单元结构可共用相同的偏置电压，整个实物模型由一个6位的控制字(一个控制码控制5列单元结构)来实现编码输入，实现对整个一维数字式超表面进行控制。数字控制部分可根据实际需要采用不同的数字控制电路，比如单片机、CPLD、FPGA等等。本实施例数字控制单元用FPGA实现，用于输出特定的控制字，实现数字式人工表面预定功能的电磁编码。
图4给出了数字控制部分与人工表面的连接示意图。其中，每个触发开关对应一个输出控制码，控制码通过排线连接到人工表面，从而实现不同单元偏置电压的编程控制。在本设计中，为了测试以及演示，只用了四个触发装置。在实际应用中可以通过编程给出更多的输出码。
图5给出了8.6GHz时，不同编码组合下，一维数字式可编程超表面实物模型散射图样的实验结果示意图。其中，
(a)对应于编码组合000000；
(b)对应于编码组合111111；
(c)对应于编码组合010101；
(d)对应于编码组合001011。
测试结果显示了同一块电磁超表面在写入不同的控制时，能够实现多种功能，这体现了了本发明的数字式可编程超表面在实用中的多功能性以及灵活性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种数字式可编程超表面，其特征在于由数字控制单元和人工电磁表面两部分构成，所述人工电磁表面由周期排布的人工单元结构组成，每个人工单元结构集成了一个开关二极管，数字控制单元为开关二极管提供两种不同偏置电压使其导通或关断，使人工单元结构呈现对电磁波的反射相位相差180度的两种不同的电磁稳态。
2.根据权利要求1所述数字式可编程超表面，其特征在于所述两种不同的电磁稳态用码值“0”和“1”来表示，数字控制单元输出不同的控制字对人工单元结构进行不同的编码，控制人工电磁表面呈现不同的编码分布，实现不同的电磁功能。
3.根据权利要求1或2所述的数字式可编程超表面，其特征在于相邻的多个人工单元结构使用相同的偏置电压，通过数字控制单元输出的同一个控制码进行控制。
4.根据权利要求1或2所述的数字式可编程超表面，其特征在于所述人工单元结构包括被印制在基片正面的两块对称的平面金属结构，两块对称的平面金属结构间跨接一个开关二极管，基片背面印制两块金属，分别通过过孔与基片正面的金属结构相连，两块金属分别与直流电源的两极相连为二极管提供偏置电压。
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