CN106329147A - 一种利用可调人工电磁超表面对自由空间电磁波进行幅度调制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用可调人工电磁超表面对自由空间电磁波进行幅度调制的方法。该方法利用可调人工电磁超表面对入射电磁波进行幅度调制，使得反射电磁波的幅度随施加在可调超表面上的调制信号变化，从而实现信息回传，并且调制深度可灵活控制。本发明可用于单向信息收集。信息的发送端设备简单，无需载波产生装置。该超表面由周期排列的超材料单元结构组成，单元结构正面包含上下对称的两个等腰梯形铜片，梯形之间焊接有变容管。变容管两端接调制信号。本发明的优点是：可对X波段一定频率范围内的载波信号进行调制；调制深度可控；信息发送端被动接收基站发射的载波信号，无需载波产生装置，因此设备简便，机动性、分布性提高。

Description

一种利用可调人工电磁超表面对自由空间电磁波进行幅度调 制的方法

技术领域：

本发明涉及一种利用可调人工电磁超表面对自由空间电磁波进行幅度调制的方法，属于无线信息传播领域，核心部分是通过动态改变加在超表面中变容管两端的偏置电压改变超表面对入射电磁波的反射系数幅度，从而将要传递的信息通过偏置电压的形式加载在反射电磁波上并回传至发射载波的基站。信息发送端无需载波产生装置，有利于便携式的分布式信息收集。

背景技术：

人工电磁超表面是人工设计的二维周期结构，具有可设计的电磁波反射和透射特性，在调控电磁波的传播方面有着重要的应用价值。可调人工电磁超表面根据动态施加的控制信号对电磁波表现出不同的调控特性，在无线信息传播领域有着很好的应用前景。在传统的幅度调制通信系统中，频率较高的载波信号在发射机内部经过调制电路加载需要传递的信息并经过发射天线辐射到自由空间，实现信息传送。因此，信息发送端需要较为复杂的载波产生设备，这在一定程度上降低了信息发送端的灵活性。而在很多实际应用场景中，往往希望信息发送端的结构尽可能简单，比如近年来广泛运用的射频身份识别技术，或者是未来战场上单兵将个人信息回传至指挥中心等。本专利提出的自由空间电磁波幅度调制技术可以使得信息发送端无需载波发生装置，通过被动接受载波信号就可以实现信息加载和回传，信息发送方硬件装备简便。

发明内容：

发明目的：本发明提出一种利用可调人工电磁超表面对自由空间电磁波进行幅度调制的方法，信息发送方自身无需载波产生装置，仅仅被动接受基站发射的载波就可将要信息加载到反射电磁波上，实现信息回传。由于信息发送方设备得到简化，所以在便捷性、机动性以及分布性上有较大优势。

技术方案：本发明所述的对自由空间电磁波进行幅度调制的超表面具有三层平面结构：背面金属板、中间介质层和正面周期排布的金属结构层，其中超材料单元结构中加载有变容管。通过使变容管两端所加电压在高、低两种幅度之间切换，超表面对入射电磁波可表现出反射和吸收两种状态。我们只要将待发送的1、0数字信号转换成相应的高、低电压之后加到变容管两端，就可以实现对入射载波电磁信号进行幅度调制，使得反射电磁波的幅度包含了所需传送的信息，在接收端对被超表面反射回来的信号进行解调即可提取出调制信号，从而实现信息传递。本发明中的信号调制技术使得信息发送端不需要载波产生装置，转而由基站提供，所以具有装置简便，机动性、分布性高的优势。

超材料是由很多周期排布的相同单元结构组成，当单元结构的尺寸远小于入射电磁波的波长并且单元数足够多时，整体表现出来的性质可以通过对单元结构进行分析而获得。我们设计的超材料单元结构最上层是两个相对放置的等腰梯形铜片，中间留一定间隔，将变容管横跨该间隔焊接在两侧的梯形金属表面，该结构可等效为一个谐振电路，当工作在谐振频点时，单元结构表现出纯表面电阻，而该阻值和电磁波在空气中的波阻抗相匹配，可以吸收入射电磁波。保持电磁波频率不变的情况下，通过改变变容管两端的电压可以使变容管的电容发生变化，原本的谐振状态被破坏，入射电磁波基本都被反射回去。在实际应用中，作为载波信号的入射电磁波频率是一定的，仅改变加在变容管上的电压，选择合适的高、低两种电压值，其中一种能够使超表面处于谐振状态，基本完全吸收入射电磁波，另一种能够使超表面不工作在谐振状态，基本完全反射入射电磁波，这样就可以实现对入射电磁波进行幅度调制。

有益效果：1、可对X波段一定频率范围内的载波信号进行调制；2、调制深度可通过选取适当的加在变容管两端的高、低电压进行控制；3、载波信号由基站提供，信息发送端无需载波产生装置，机动性，分布性更高。

附图说明：

图1是本发明用于信息回传系统中的整体模块图。

图2是本发明的可调超表面主视图。

图3是本发明的可调超表面单元结构主视图。

图4是本发明的可调超表面在变容管加高、低两种电压时对入射电磁波的反射性能实际测量结果图。

图5是本发明用于信息回传系统中时，利用示波器测量的信息接收端解调信号和信息发送端加载的调制信号。

在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。

具体实施方式：

下面结合附图，通过具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例：参考图1-3描述的本发明的应用场景整体模块图、超表面整体结构图、超表面单元结构图。

基站提供的载波信号2经过天线5辐射后入射到可调超表面1，施加于可调超表面上的变容管的调制信号3会使可调超表面1对入射电磁波2进行幅度调制，经过调制后的反射电磁波4被信息接收端天线5接收，检波后可恢复出调制信号3。可调超表面1由周期排列的单元构成，单元数可根据具体应用场景进行选取，超表面1的背面镀一层铜膜，介质板6采用介电常数2.6的F4B材料，厚度为0.8mm。介质板6的正面镀有多个金属等腰梯形7，梯形上底为7mm，下底为2.5mm，高为2mm。两个相对的梯形之间间隔0.5mm，变容管8焊接在这两个梯形之间。

图4是当变容管分别加-10V和0V电压时可调超表面对入射电磁波的反射特性，其中实线9对应-10V电压情况，虚线10对应0V电压情况，此时可选择频率为9.65GHz的电磁波作为载波信号。图5是将可调超表面应用在信息回传信系统中时，利用示波器测量的信息接收端解调后的信号(曲线12)和信息发送端加载的调制信号(曲线11)，信号频率为100kHz。结果说明本发明技术可正确地实现信息传递。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利覆盖的范围。

Claims (3)

1.一种利用可调人工电磁超表面对自由空间电磁波进行幅度调制的方法，该方法利用可调超表面对入射电磁波进行幅度调制，使得反射电磁波的幅度随施加在可调超表面上的调制信号变化，从而实现信息回传，并且调制深度可灵活控制，信息的发送端设备简单，无需载波产生装置，因此机动性较高，本发明可用于单向信息收集，即我们可以利用分布在各处的可调人工电磁超表面接收基站发射的载波，并将信息调制于反射电磁波上传回基站。

2.可调人工电磁超表面是由背面金属层、中间介质层和正面周期排布的金属单元构成，单元结构中加载有变容管。

3.根据权利要求1和2所述的对自由空间电磁波进行幅度调制的方法，其功能是利用加在变容管两端的调制信号对入射到超表面的电磁波进行幅度调制，使得反射电磁波包含所需传送的信息，从而实现信息回传。