CN107404003A - 超材料及其频率调节方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超材料及其频率调节方法和装置。其中，该超材料包括：基底材料；电可控微结构单元阵列，电可控微结构单元阵列设置在基底材料上，电可控微结构单元阵列包括多个电可控微结构单元，其中，每个电可控微结构单元包括：外金属结构和内金属结构，内金属结构和外金属结构组成环形的通道；变容二极管，变容二极管设置在每个电可控微结构单元的通道内，用于根据加载在变容二极管两端的电压调节每个电可控微结构单元的工作频率。本发明解决了现有技术中无法快速准确地调节超材料的工作频率的技术问题。

Description

超材料及其频率调节方法和装置

技术领域

本发明涉及控制领域，具体而言，涉及一种超材料及其频率调节方法和装置。

背景技术

现有社会中的，超材料具有传统自然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构，但是，对于超材料来说，其奇异的电磁特性都有一个频带范围，超出这个范围，这个奇异的电磁特性会减弱甚至消失。因此，相关技术人员就开始研究可控的超材料，在现有的研究成果中，可控超材料主要包括三大类：(1)机械式可控超材料；(2)加载微波开关；(3)加载可控材料(例如，铁氧体、液晶材料、石墨烯等)。其中，机械式可控的超材料由于要对移动量进行精确的控制，因此，使得体积相对较大，不易操作；加载微波开关的可控超材料其状态与开关的个数有关，要实现足够多的状态数就需要添加足够多的开关个数，导致结构的复杂度增加；而加载可控材料的超材料其调控的频率范围不大，而且需要外加偏置场导致结构复杂。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种超材料及其频率调节方法和装置，以至少解决现有技术中无法快速准确地调节超材料的工作频率的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超材料，包括：基底材料；电可控微结构单元阵列，所述电可控微结构单元阵列设置在所述基底材料上，所述电可控微结构单元阵列包括多个电可控微结构单元，其中，每个电可控微结构单元包括：外金属结构和内金属结构，所述内金属结构和所述外金属结构组成环形的通道；变容二极管，所述变容二极管设置在所述每个电可控微结构单元的所述通道内，用于根据加载在所述变容二极管两端的电压调节所述每个所述电可控微结构单元的工作频率。

进一步地，所述外金属结构为方框结构，所述内金属结构为矩形金属贴片，所述内金属结构嵌套于所述外金属结构内。

进一步地，所述工作频率的调节范围包括：0.3GHz至300GHz。

进一步地，所述外金属结构和所述内金属结构的材料为以下至少一种：铜、银和金。

进一步地，加载在所述变容二极管两端的电压的取值范围为：0V至20V。

进一步地，所述变容二极管在所述环形的通道中的正-负极方向与所述超材料中的电磁场方向相同。

进一步地，述基底材料为非磁性介质材料，并且所述基底材料的介电常数的取值范围为：2至10，所述基底材料的磁导率为1。

进一步地，所述电可控微结构单元阵列中任意两个所述电可控微结构单元的大小相同。

进一步地，所述超材料还包括：同轴通孔，设置在所述内金属结构上，所述内金属结构通过所述同轴通孔与馈电网络连接，用于向所述变容二极管施加电压。

进一步地，垂直于所述金属结构的表面入射的电磁波为平面波，所述电磁波的幅值和相位在垂直于入射方向上相等。

进一步地，在预设频段内，所述电可控微结构单元阵列中任意相邻的两个电可控微结构单元之间的距离为预设距离，其中，所述预设距离的取值范围为：1/2λ至λ，所述λ为所述超材料中电磁波的波长。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种超材料的频率调节方法，包括上述任一项所述的电可控超材料，所述方法包括：获取加载至变容二极管两端的电压值；判断超材料的工作频率是否满足预设频率；如果判断出所述超材料的工作频率不满足所述预设频率，则调整所述变容二极管两端的电压值，以使所述超材料的工作频率满足所述预设频率，其中，所述超材料的工作频率随所述变容二极管两端的电压变化。

进一步地，如果判断出所述超材料的工作频率不满足所述预设频率，则调整所述变容二极管两端的电压值包括：判断所述超材料的工作频率是否大于或者等于预设频率；如果判断出所述超材料的工作频率大于或者等于预设频率，则控制降低加载至所述变容二极管两端的电压值；如果判断出所述超材料的工作频率小于预设频率，则控制增加加载至所述变容二极管两端的电压值。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种超材料的频率调节装置，其特征在于，包括上述任一项超材料，所述装置包括：获取单元，用于获取加载至变容二极管两端的电压值；判断单元，用于判断超材料的工作频率是否满足预设频率；调整单元，用于判断出所述超材料的工作频率不满足所述预设频率，调整所述变容二极管两端的电压值，以使所述超材料的工作频率满足所述预设频率，其中，所述超材料的工作频率随所述变容二极管两端的电压变化。

进一步地，所述调整单元包括：判断模块，用于判断所述超材料的工作频率是否大于或者等于预设频率；第一控制模块，用于在判断出所述超材料的工作频率大于或者等于预设频率的情况下，控制降低加载至所述变容二极管两端的电压值；第一控制模块，用于在判断出所述超材料的工作频率小于预设频率的情况下，控制增加加载至所述变容二极管两端的电压值。

在本发明实施例中，采用基底材料；电可控微结构单元阵列，所述电可控微结构单元阵列设置在所述基底材料上，所述电可控微结构单元阵列包括多个电可控微结构单元，其中，每个电可控微结构单元包括：外金属结构和内金属结构，所述内金属结构和所述外金属结构组成环形的通道；变容二极管，所述变容二极管设置在所述每个电可控微结构单元的所述通道内，用于根据加载在所述变容二极管两端的电压调节所述每个所述电可控微结构单元的工作频率的方式，通过在电可控微结构单元阵列中每个电可控微结构单元中设置一个电容可变的变容二极管，以达到调节每个电可控微结构单元的工作频率的目的，从而实现了能够通过变容二极管就可以调节超材料的工作频率的技术效果，进而解决了现有技术中无法快速准确地调节超材料的工作频率的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种超材料的示意图；

图2是根据本发明实施例的一种电可控微结构单元阵列的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的一种电容和频率变化关系的示意图；

图4是根据本发明实施例的一种超材料的频率调节方法的流程图；以及

图5是根据本发明实施例的一种超材料的频率调节装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，提供了一种超材料的实施例。下面结合图1和图2对本发明实施例进行说明。图1是根据本发明实施例的一种超材料的示意图，图2是根据本发明实施例的一种电可控微结构单元阵列的结构示意图。如图1和图2所示，该超材料包括：基底材料11、由至少一个电可控微结构单元13组成的电可控微结构单元阵列和变容二极管15，其中：

电可控微结构单元阵列设置在基底材料上，电可控微结构单元阵列包括多个电可控微结构单元，其中，每个电可控微结构单元包括：外金属结构和内金属结构，内金属结构和外金属结构组成环形的通道；

变容二极管15设置在每个电可控微结构单元的通道内，用于根据加载在变容二极管两端的电压调节每个电可控微结构单元的工作频率。

在本发明实施例中，通过在电可控微结构单元阵列中每个电可控微结构单元中设置一个电容可变的变容二极管，以达到调节每个电可控微结构单元的工作频率的目的，从而实现了能够通过变容二极管就可以调节超材料的工作频率的技术效果，进而解决了现有技术中无法快速准确地调节超材料的工作频率的技术问题。

如图2所示的为10×10的电可控微结构单元阵列，在该阵列中，包括10×10个电可控微结构单元13。如图2所示，在本发明实施例中，电可控微结构单元阵列中的任意两个电可控微结构单元的大小均相同，各个单元紧密的阵列排布。也即在电可控为结构单元阵列中包括多个相同的电可控微结构单元，其中，电可控微结构单元阵列中任一个电可控微结构单元13的结构图如图1所示。在图1中，电可控微结构单元13包括外金属结构132和内金属结构131，内金属结构131和外金属结构132组成间距为d的环形的通道17。在如图2所示的电可控微结构单元13中，外金属结构132可以为方框结构，内金属结构131可以为矩形金属贴片，如图1所示，内金属结构嵌套于外金属结构内，并形成上述通道17。

上述外金属结构和内金属结构的材料可以为以下至少一种：铜、银和金。由于考虑到电可控超材料的成本，作为优选，外金属结构和内金属结构的材料可以选取为铜。需要说明的是，如果上述外金属结构和内金属结构的材料选取为铜，则可以在铜表面镀金，以防止铜材料的电可控超材料由于长时间使用造成的氧化。

在本发明实施例中，还可以在每个电可控微结构单元的通道17中安装一个变容二极管15，其中，该变容二极管为电容可变的二极管，当在变容二极管两端加载可变反偏置直流电压时，即可以改变该变容二极管的电容。根据公式用可知，当变容二极管的电容发生改变时，该电可控微结构单元13的ω发生了改变，其中，ω即为电可控微结构单元13对应的瞬时工作频率。

在本发明的一个可选实施方式中，每个电可控微结构单元工作频率的调节范围包括：0.3GHz至300GHz，即可以在上述调节范围内调节每个电可控微结构单元工作频率。

进一步地，加载在变容二极管两端的电压的取值范围为：0V至20V，通过在该变容二极管的两端加载上述范围内的电压值即可实现在0.3GHz至300GHz的频率范围内调节电可控微结构单元阵列的工作频率。

在本发明实施例中，变容二极管可以安装在如图1和图2中所示的位置(即环形通道的下侧通道)，还可以设置在环形的通道中的左侧通道、右侧通道，还可以为上侧的通道内。需要说明的是，无论变容二极管设置在通道的哪个位置，都要保证变容二极管的正-负极方向与超材料中的电磁场方向相同，其中，上述正-负极方向可以为变容二极管的正极指向负极的方向，还可以为变容二极管的负极指向正极的方向。例如，当超材料中的电磁场方向为由上到下的垂直方向时，此时可以将变容二极管设置在如图1和图2中所示的位置。

在本发明实施例中，上述电可控超材料还包括基底材料11，其中，基底材料用于安装上述电可控微结构单元阵列。上述基底材料可以选取为非磁性介质材料，并且基底材料的介电常数的取值范围为：2至10，基底材料的磁导率为1。如图1所示，由于通道17为中空的通道，该通道为内金属结构和外金属结构之间的缝隙，因此，在该通道裸露出来的材料即为基底材料11。

在本发明实施例中，上述超材料还包括：同轴通孔19，如图1和图2所示，该同轴通孔19设置在内金属结构上，内金属结构通过同轴通孔与馈电网络连接，用于向变容二极管施加反向偏置电压。

可选地，当有电磁垂直于外金属结构和内金属结构的表面入射时，该电磁波可以为平面波，并且该电磁波的幅值和相位在垂直于入射方向上相等。

在本发明实施例中，当超材料的工作频率在预设频段内时，电可控微结构单元阵列中任意相邻的两个电可控微结构单元之间的距离为预设距离，其中，预设距离的取值范围为：1/2λ至λ，λ为超材料中电磁波的波长。需要说明的是，处于不同频段的超材料中的任意两个相邻的电可控微结构单元之间的距离不相同。

下面以具体实施例对本发明进行说明。例如，研发人员设计一个超材料，其中，要求该超材料的工作频段为：17.5GHz-13.4GHz，选取的中心工作频率f为15GHz。此时，根据选取的工作频段可以选取该超材料中的电磁波的波长λ为20mm；并且上述内金属结构和外金属结构的材料可以选取为铜，基底材料可以为F4B材料，其中，该基底材料的介电常数ε＝3.0，磁导率μ＝1；以及该可控超材料单元阵列中每个电可控微结构单元可以为“方环型”，其中，每个电可控微结构单元中外金属结构的外边长和宽相等，例如选取为a＝7.5mm，内金属结构(例如，矩形金属贴片)的长与宽可以为6mm；上述通道的宽度可以为0.75mm，上述外金属结构和内金属结构的金属厚度可以为0.035mm，基底材料厚可以为0.3mm，电可控微结构单元阵列中任意相邻的两个电可控微结构单元之间的距离为预设距离为7.5mm。

在设计好上述超材料之后，则可以将该超材料应用到具体的设备中，例如应用到天线中，例如，超材料的平板天线中可以采用上述设计好的电可控超材料。在超材料中采用加载变容二极管的电可控超材料时，可以通过控制变容二极管的电压调控阵列单元相移分布，实现宽角度连续扫描。

下面具体介绍上述设置好的超材料的频率调节过程。具体地，当电可控超材料的工作频段为17.5GHz-13.4GHz时，变容二极管的电容值可以从0.02pF至0.32pF之间进行变化，频率与电容的变化关系如图3所示。如图3所示，当电容逐渐增大时，频率逐渐减小；当电容逐渐减小时，频率逐渐增大，即，电容和频率之间的关系为反比例关系。因此，在本发明实施例中，当变容二极管的电容增大时，电可控超材料的工作频段将减小，当变容二极管的电容减小时，电可控超材料的工作频段将增大。因此，可以通过控制变容二极管的电容的大小在预设频段内调整电可控超材料的工作频率。例如，选取的电可控超材料的中心工作频率f为15GHz，如果检测到电可控超材料的当前频率大于15GHz，则可以增大变容二极管的电容，以降低电可控超材料的当前频率。其中，可以通过加载在变容二极管的电容的反偏置电压调节该变容二极管的电容，进而，通过调节电容来调节电可控超材料的工作频率。

综上，在本发明上述实施例中，可以通过调节加载在电可控超材料上变容二极管的电压来调节变容二极管的电容，然后根据公式调节电可控超材料的工作频率。采用上述本发明提供的调节电可控超材料的工作频率的方式，可以实现在预设频段内调节电可控超材料的工作频率，并且结构简单，无需复杂的结构，方便制作。采用上述方式可以在保证整个超材料不发生变化的情况下，只需控制变容二极管的外加偏置电压即可实现对超材料电磁性能的连续控制。

根据本发明实施例，还提供了一种超材料的频率调节方法的实施例。图4是根据本发明实施例的一种超材料的频率调节方法的流程图，如图4所示，该方法包括如下步骤：

步骤S402，获取加载至变容二极管两端的电压值，其中，该步骤即上述步骤一；

步骤S404，判断超材料的工作频率是否满足预设频率，其中，该步骤即上述步骤二；

步骤S406，如果判断出超材料的工作频率不满足预设频率，则调整变容二极管两端的电压值，以使超材料的工作频率满足预设频率，其中，超材料的工作频率随变容二极管两端的电压变化，其中，该步骤即上述步骤三。

进一步地，如果判断出超材料的工作频率不满足预设频率，则调整变容二极管两端的电压值包括：判断超材料的工作频率是否大于或者等于预设频率；如果判断出超材料的工作频率大于或者等于预设频率，则控制降低加载至变容二极管两端的电压值；如果判断出超材料的工作频率小于预设频率，则控制增加加载至变容二极管两端的电压值。

具体地，在图1和图2所示的超材料中，可以对变容二极管外加偏置电压，进而通过外加的偏置电压调整变容二极管的电容。例如，如果某一超材料工作频段为17.5GHz-13.4GHz内，则可以通过外加的偏置电压在上述工作频段内调节可控超材料的超材料的工作频率。假设，可控超材料的超材料的中心工作频率(即预设频率)为15GHz，但是当前时刻，可控超材料的超材料的工作频率为16GHz，此时，需要降低可控超材料的超材料的工作频率，通过如图3所示的关系图可知，增大变容二极管的电容值可以降低可控超材料的超材料的工作频率，因此，可以通过调整变容二极管的外加偏置电压来增大变容二极管的电容值，以降低可控超材料的超材料的工作频率。

在本发明实施例中，通过在电可控微结构单元阵列中每个电可控微结构单元中设置一个电容可变的变容二极管，以达到调节每个电可控微结构单元的工作频率的目的，从而实现了能够通过变容二极管就可以调节超材料的工作频率的技术效果，进而解决了现有技术中无法快速准确地调节超材料的工作频率的技术问题。

根据本发明实施例，还提供了一种超材料的频率调节装置的实施例。图5是根据本发明实施例的一种超材料的频率调节装置的示意图，如图5所示，该装置包括：

获取单元51，用于获取加载至变容二极管两端的电压值；

判断单元53，用于判断超材料的工作频率是否满足预设频率；

调整单元55，用于判断出超材料的工作频率不满足预设频率，调整变容二极管两端的电压值，以使超材料的工作频率满足预设频率，其中，超材料的工作频率随变容二极管两端的电压变化。

其中，调整单元包括：判断模块，用于判断超材料的工作频率是否大于或者等于预设频率；第一控制模块，用于在判断出超材料的工作频率大于或者等于预设频率的情况下，控制降低加载至变容二极管两端的电压值；第一控制模块，用于在判断出超材料的工作频率小于预设频率的情况下，控制增加加载至变容二极管两端的电压值。

在本发明实施例中，通过在电可控微结构单元阵列中每个电可控微结构单元中设置一个电容可变的变容二极管，以达到调节每个电可控微结构单元的工作频率的目的，从而实现了能够通过变容二极管就可以调节超材料的工作频率的技术效果，进而解决了现有技术中无法快速准确地调节超材料的工作频率的技术问题。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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 (14)

1.一种超材料，其特征在于，包括：

基底材料；

电可控微结构单元阵列，所述电可控微结构单元阵列设置在所述基底材料上，所述电可控微结构单元阵列包括多个电可控微结构单元，其中，每个电可控微结构单元包括：外金属结构和内金属结构，所述内金属结构和所述外金属结构组成环形的通道；

变容二极管，所述变容二极管设置在所述每个电可控微结构单元的所述通道内，用于根据加载在所述变容二极管两端的电压调节所述每个电可控微结构单元的工作频率。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述外金属结构为方框结构，所述内金属结构为矩形金属贴片，所述内金属结构嵌套于所述外金属结构内。

3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述工作频率的调节范围包括：0.3GHz至300GHz。

4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，加载在所述变容二极管两端的电压的取值范围为：0V至20V。

5.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述变容二极管在所述环形的通道中的正-负极方向与所述超材料中的电磁场方向相同。

6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基底材料为非磁性介质材料，并且所述基底材料的介电常数的取值范围为：2至10，所述基底材料的磁导率为1。

7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述电可控微结构单元阵列中任意两个所述电可控微结构单元的大小相同。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的超材料，其特征在于，所述超材料还包括：

同轴通孔，设置在所述内金属结构上，所述内金属结构通过所述同轴通孔与馈电网络连接，用于向所述变容二极管施加电压。

9.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，垂直于所述外金属结构和所述内金属结构的表面入射的电磁波为平面波，所述电磁波的幅值和相位在垂直于入射方向上相等。

10.根据权利要求9所述的超材料，其特征在于，在预设频段内，所述电可控微结构单元阵列中任意相邻的两个电可控微结构单元之间的距离为预设距离，其中，所述预设距离的取值范围为：1/2λ至λ，所述λ为所述超材料中电磁波的波长。

11.一种超材料的频率调节方法，其特征在于，包括上述权利要求1至10中任一项所述的超材料，所述方法包括：

步骤一：获取加载至变容二极管两端的电压值；

步骤二：判断超材料的工作频率是否满足预设频率；

步骤三：如果判断出所述超材料的工作频率不满足所述预设频率，则调整所述变容二极管两端的电压值，以使所述超材料的工作频率满足所述预设频率，其中，所述超材料的工作频率随所述变容二极管两端的电压变化。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：

判断所述超材料的工作频率是否大于或者等于预设频率；

如果判断出所述超材料的工作频率大于或者等于预设频率，则控制降低加载至所述变容二极管两端的电压值；

如果判断出所述超材料的工作频率小于预设频率，则控制增加加载至所述变容二极管两端的电压值。

13.一种超材料的频率调节装置，其特征在于，包括上述权利要求1至10中任一项所述的超材料，所述装置包括：

获取单元，用于获取加载至变容二极管两端的电压值；

判断单元，用于判断超材料的工作频率是否满足预设频率；

调整单元，用于判断出所述超材料的工作频率不满足所述预设频率，调整所述变容二极管两端的电压值，以使所述超材料的工作频率满足所述预设频率，其中，所述超材料的工作频率随所述变容二极管两端的电压变化。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述调整单元包括：

判断模块，用于判断所述超材料的工作频率是否大于或者等于预设频率；

第一控制模块，用于在判断出所述超材料的工作频率大于或者等于预设频率的情况下，控制降低加载至所述变容二极管两端的电压值；

第一控制模块，用于在判断出所述超材料的工作频率小于预设频率的情况下，控制增加加载至所述变容二极管两端的电压值。