CN106299717B - 一种微波段可编程1-比特各向异性超表面 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种微波段可编程1‑比特各向异性超表面，其由多个电可调的1‑比特各向异性编码单元在二维平面上周期排列而成，通过对加载在编码单元中层和上层中两个互相垂直摆放的开关二极管的“导通”与“关断”的控制，可使得每个单元在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下呈现独立的反射相位0°和180°，分别对应数字态“0”和“1”。通过将具有特定功能的各向异性编码矩阵以电压的形式赋予整个超表面，就可使得此各向异性超表面在x极化和y极化的垂直入射波的照射下呈现出不同的功能。

Description

一种微波段可编程1-比特各向异性超表面

技术领域

本发明涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种工作在微波段的可编程1-比特各向异性超表面。

背景技术

新型人工电磁材料，亦称电磁超表面(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期或非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超表面和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是它们对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振系统与外加电磁场的相互作用来体现的。电磁超表面从媒质的角度定义了电磁波的行为，为微波器件的设计提供了新的思路和方法。

Capasso等人在2011年提出了广义斯涅尔定律，该定理是描述超表面电磁特性的基本定律，考虑了电磁波在超表面反射或者透射时产生的相位不连续性以及随之产生的异常反射和异常折射行为。人们可以设计人工表面结构来人为控制这种相位不连续性，进而可以利用二维超表面调控空间波。达到任意控制反射波和折射波的目的。实现如涡旋波束和贝塞尔波束等，甚至可以设计随机的相位分布，使得入射波束被随机散射到各个方向，形成漫反射，从而有效降低目标的雷达散射截面积，实现隐身。

以上提到的超表面的单元都是各向同性的结构，即设计好的超表面的对于任意极化的入射电磁波都具有相同的功能，不能随入射电磁波的极化改变而发生变化。

发明内容

本发明提供了一种工作在微波段的可编程1-比特各向异性超表面，通过设计相应的各向异性编码矩阵，将其以直流开关电压的形式赋予超表面阵列中的每一个电可调各向异性编码单元，便可使得整个超表面在x极化和y极化垂直入射波的照射下呈现出不通的功能；通过改变其输入的各向异性编码矩阵可以实时地切换整个超表面的功能。

为了实现上述功能，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种微波段可编程1-比特各向异性超表面，由多个电可调的各向异性编码单元在二维平面上周期排列构成，每个电可调的各向异性编码单元主要由五层结构构成，从上至下依次是上层金属图案、上层介质层、中层金属图案、下层介质层和金属地；

所述上层金属图案和中层金属图案中各设置有两个金属导体和一个焊接在两个金属导体之间的开关二极管，两个开关二极管互相垂直摆放；为了对上层金属图案和中层金属图案中的两个开关二极管进行直流偏置：上层金属图案和中层金属图案中各一个金属导体分别通过两个金属过孔连接至下层介质层的下底面，与金属地相连，作为直流偏置的负极；另外两个金属导体通过另外两个金属过孔连接至下层介质层的下底面，并与金属地相隔离，作为直流偏置的信号线，即正极；

每个电可调的的各向异性编码单元可通过两路直流偏压来控制其上所加载的两个开关二极管的导通和关断状态，进而能够独立地控制编码单元在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下的反射相位为0°和180°，分别对应数字态0和1；则每个电可调的的各向异性编码单元拥有四种各向异性数字态0/0、0/1、1/0和1/1，其中斜杠前表示其在x极化入射波照射下的数字态，斜杠后表示其在y极化入射波照射下的数字态。

通过在超表面阵列上以开关电压的形式加载预先设计好的各向异性编码矩阵，从而在x极化和y极化垂直电磁波照射下呈现出不同的功能。比如在x极化电磁波照射下，垂直波束被反射到x-z平面内的两个方向上，而在y极化电磁波照射下，垂直波束被反射到y-z平面内的两个方向上；也可以是将x极化和y极化电磁波异常反射到相同面内的不同角度上。将超表面阵列连接到数字可编程硬件上，能够实时地通过切换各向异性电磁编码而切换其在x极化和y极化下的功能。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明所提出的一种工作在微波段的可编程1-比特各向异性超表面，与传统可调的反射阵天线相比，具有在x极化和y极化电磁波照射下拥有不同功能的特点，极大地增加了其设计自由度，扩展了其应用前景。

2、本发明的基本单元结构与传统可调的反射阵天线的单元结构相比，在结构上得到了大大简化，仅采用双层的金属图案结构和两个开关二极管，采用常规的印制电路板工艺即可制作，开关二极管选型也很宽松，很多公司均有销售。

3、本发明摒弃了传统采用等效媒质参数对超表面进行分析与设计的方案，采用离散的各向异性编码的形式来更加简洁和有效地分析和设计各向异性超表面在不同编码下相应的远场散射方向图。

4、本发明巧妙的采用一种双层金属图案结构的电可调各向异性编码单元。此结构在x极化和y极化电磁波照射下具有独立的相位响应，因此其在x极化和y极化电磁波照射下的功能具有很高的隔离度。

附图说明

图1是一个包含8x8个可编程1-比特各向异性超表面在编码矩阵为[1/1,1/0；0/1,0/0]下的原理图，矩阵中各向异性编码状态中的斜线“/”用于区分x极化和y极化入射波下的数字态，其中斜线前的数字表示x极化下的反射相位数字态，斜线后的数字表示y极化下的反射相位数字态。当这种可编程1-比特的各向异性超表面在水平极化波照射下，其编码等效为[1 0 1 0]编码序列，如图1中左图所示；而当在垂直极化波的照射下，其编码等效为[1 0 1 0]编码序列，如图1中右图所示。这种可编程1-比特各向异性超表面在不同极化方向的电磁波的照射下呈现独立的编码序列，从而能够实现不同的功能。

图2为构成本发明的基本单元结构图，其主要由五层结构构成，从上至下依次是上层金属图案、上层介质层、中层金属图案、下层介质层和金属地。上层的金属结构的具体几何尺寸参见表1；上层介质层厚度d2＝1.3mm；中层的金属结构的具体几何尺寸参见表2；下层介质层厚度d1＝1.2mm；介质层材料为F4B介质板上(介电常数＝2.65，损耗角正切为0.001)；所有金属层厚度为0.035mm；

图3为上层金属图案的俯视图及尺寸标注，相应几何尺寸数值参见表1；

图4为中层金属图案的俯视图及尺寸标注，相应几何尺寸数值参见表2；

图5为4个各向异性编码状态在x极化和y极化电磁波照射下的反射相位；

图6(a)-图6(d)为4个各向异性数字态在6GHz到9GHz时的反射相位曲线。

图7(a)-图7(d)为4个各向异性数字态在6GHz到9GHz时的反射幅度曲线。

图8是当输入的编码矩阵为M₁，频率为7.6GHz时，此超表面在x极化和y极化电磁波照射下的三维远场散射方向图；图8(a)x极化电磁波垂直入射时的情况；图8(b)y极化电磁波垂直入射时的情况。

图9是当输入的编码矩阵为M₁，频率为7.6GHz时，此超表面在x极化和y极化电磁波照射下的二维远场散射方向图；图9(a)x极化电磁波垂直入射时x-z平面内的散射方向图；图9(b)y极化电磁波垂直入射时y-z平面内的散射方向图。

具体实施方式：

本发明涉及的一种工作在微波段的可编程1-比特各向异性超表面，通过将多个具有电可调功能的各向异性编码单元周期排列在二维平面上，随后将预先设计好的各向异性编码矩阵以开关电压的形式赋予整个超表面阵列，便使得其可在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现出不同的功能，并且其在x极化和y极化电磁波下的功能是可以通过实时切换各向异性编码矩阵来实现快速切换的。

构成本发明的基本单元是一种电可调的各向异性编码单元，通过两路直流偏压来控制加载在上层和中层金属结构中的互相垂直摆放的两个开关二极管，便可实现单元结构在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下呈现0°和180°反射相位，分别以二进制编码“0”和“1”表示其数字态。由于此电可调的各向异性编码单元需要在x极化和y极化垂直入射波的照射下呈现出独立的数字态响应，因此总共存在4种不同的各向异性数字态，分别为“0/0”、“0/1”、“1/0”和“1/1”。

通过设计相应的各向异性编码矩阵，并将其以开关电压的形式赋予整个超表面阵列，便可在x极化和y极化垂直电磁波的照射下呈现出不同的功能，并且可通过数字可编程硬件(如现场可编程门阵列FPGA)与其连接，便可通过改变输入的编码矩阵而实时地切换其功能。

这里将在微波段具体实例化本发明所提到的一种工作在微波段的可编程1-比特各向异性超表面。图2给出了此器件的各向异性单元结构的立体结构图，其主要由五层结构构成，从上至下依次是上层金属图案、上层介质层、中层金属图案、下层介质层和金属地。上层金属结构图案的具体几何尺寸标注见图3，几何尺寸具体参数见表1；上层介质层厚度d＝1.3mm；下层金属结构图案的具体几何尺寸标注见图4，几何尺寸具体参数见表2；下层介质层厚度d＝1.2mm；介质层材料为F4B介质板上(介电常数＝2.65，损耗角正切为0.001)；所有金属层厚度为0.035mm；所采用的二极管型号为Skyworks公司的SMV-1413。需要指出的是，图3中下半部分金属图案是由上半部分金属图案关于正方形介质基板的几何中心旋转得到的，图4中左半部分金属图案是由右半部分金属图案关于正方形介质基板的几何中心旋转得到的。

通过下层介质层底面的金属地和两个信号线，可以对位于中层和上层的两个开关二极管分别独立地进行直流偏置电压5V和0V，使得二极管可以在“关断”和“导通”的状态之间切换，进而使得其可在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下独立地产生数字态响应“0”和“1”，对应反射相位为0°和180°，因此排列组合后便有4种不同的各向异性编码状态，分别是“0/0”、“0/1”、“1/0”和“1/1”，其中斜杠前面为x极化时的数字态，斜杠后面为y极化时的数字态。

图5展示了4个各向异性编码状态在x极化和y极化电磁波照射下(7.3GHz)的反射相位。当两个二极管都处于“关断”状态时，反射相位为-68°(x极化)和-48°(y极化),分别用作x极化和y极化下的“0”数字态；当两个二极管被导通时，反射相位在x极化和y极化下同为125°，用作“1”数字态。当两个二极管中只有一个被导通时，x极化和y极化下的反射相位差为205°(对与“0/1”数字态)和160°(对与“1/0”数字态)。虽然此时数字态“0”和“1”之间的相位差不满足严格的180°，并且四个各向异性数字态下的数字态“0”和“1”的绝对相位也不完全一致，这并不会对其超表面阵列的性带来很大的影响，我们将在接下来的数值仿真中看到令人满意的结果。图6和图7进一步给出了4个各向异性数字态在6GHz到9GHz时的反射相位曲线和幅度曲线。

表1 构成本发明的电可调各向异性编码单元中的上层金属结构的几何尺寸列表。

表2 构成本发明的电可调各向异性编码单元中的中层金属结构的几何尺寸列表。

为了展示本发明应用在微波段对x极化和y极化入射电磁波的独立调控特性，下面采用一个具体的实例来说明。

第一个实例对应的编码为，在x极化下编码序列为[0 1 0 1…]，编码变换方向沿着x方向；y极化下编码序列同样为[0 1 0 1…]，编码变换方向沿着y方向，因此可以用一个二维各向异性编码矩阵M₁来表示，

在这里我们引入超级子单元的概念，其由N×N个相同的基本单元结构构成。由于相邻的具有不同数字态的单元之间电磁耦合未在设计单元结构时考虑，因此会在实际编码后的超表面中带来不可预期的相位响应，造成性能的恶化，而引入超级子单元可以有效地降低这一影响。整个超表面由30×30个超级子单元构成，x极化和y极化时的编码的超级子单元的尺寸均为5×5。

图8展示了编码为M₁的可编程1-比特各向异性超表面在x极化和y极化垂直电磁波照射下的远场散射方向图。当x极化电磁波垂直入射到器件表面时，此时编码序列可以等效为沿着x方向变化的[0 0 0 0 0 1 1 1 1 1…]序列，垂直波束会被异常反射到x-z平面内的40°角方向；当电磁波极化方向变为y方向时，此时编码序列等效为沿着y方向变化的[0 00 0 0 1 1 1 1 1…]序列,会被异常反射到y-z平面内的38.1°角方向。这两个角度与理论计算结果41.1°十分接近，在x极化和y极化下具有不同的功能，说明整个可编程1-比特各向异性超表面达到了预期的效果。为了更好地观察此1-比特各向异性超表面在x极化和y极化下散射的角度以及效率，图9进一步给出了其在x极化和y极化电磁波照射下的二维远场散射方向图，其中图9(a)为x-z平面内的二维远场散射方向图，图9(b)为y-z平面内的二维远场散射方向图。

需要说明，以上所述仅是本发明的优选实施方式，类似的结构只要可在开关二极管“关断”与“导通”情况下产生180°相位差，均应视为本发明的保护范围。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 (3)

1.一种微波段可编程1-比特各向异性超表面，其特征在于：由多个电可调的各向异性编码单元在二维平面上周期排列构成，每个电可调的各向异性编码单元包括五层结构，从上至下依次是上层金属图案、上层介质层、中层金属图案、下层介质层和金属地；

所述上层金属图案和中层金属图案中各设置有两个金属导体和一个焊接在两个金属导体之间的开关二极管，两个开关二极管互相垂直摆放；上层金属图案和中层金属图案中各一个金属导体分别通过两个金属过孔连接至下层介质层的下底面，与金属地相连，作为直流偏置的负极；另外两个金属导体通过另外两个金属过孔连接至下层介质层的下底面，并与金属地相隔离，作为直流偏置的信号线，即正极；

每个电可调的各向异性编码单元可通过两路直流偏压来控制其上所加载的两个开关二极管的导通和关断状态，进而能够独立地控制编码单元在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下的反射相位为0°和180°，分别对应数字态0和1；则每个电可调的各向异性编码单元拥有四种各向异性数字态0/0、0/1、1/0和1/1，其中斜杠前表示其在x极化入射波照射下的数字态，斜杠后表示其在y极化入射波照射下的数字态。

2.根据权利要求1所述的一种微波段可编程1-比特各向异性超表面，其特征在于：通过在超表面阵列上以开关电压的形式加载预先设计好的各向异性编码矩阵，从而在x极化和y极化垂直电磁波照射下呈现出不同的功能。

3.根据权利要求1所述的一种微波段可编程1-比特各向异性超表面，其特征在于：将超表面阵列连接到数字可编程硬件上，能够实时地通过切换各向异性电磁编码而切换其在x极化和y极化下的功能。

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