CN107404004A - 超材料、天线反射面、超材料的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超材料、天线反射面、超材料的控制方法和装置。其中，该超材料包括：至少一个超材料结构单元，其中，超材料结构单元包括：基底材料以及附着在基底材料上的导电几何结构，导电几何结构包括具有至少两个缺口的金属环，其中，至少两个缺口呈对称结构；任意一个缺口处加载有变容二极管。本发明解决了现有技术中超材料的工作频率难以调整的技术问题。

Description

超材料、天线反射面、超材料的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及电磁通信领域，具体而言，涉及一种超材料、天线反射面、超材料的控制方法和装置。

背景技术

超材料是一种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，然而对于超材料来说，其特殊的电磁特性都有一个频带范围，超出这个范围，上述特殊的电磁特性会减弱甚至消失。为实现人工电磁结构对电磁波动态操控的能力，通常需要对超材料的电磁特性进行实时控制。

到目前为止，可控超材料主要包括三大类：(1)机械式可控超材料；(2)加载微波开关等；(3)加载可控材料(铁氧体、液晶材料、石墨烯等)。机械式可控超材料由于要对移动量进行精确的控制，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，而且需要外加反偏场从而导致超材料的结构复杂。

针对现有技术中超材料的工作频率难以调整的问题，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、天线反射面、超材料的控制方法和装置，以至少解决现有技术中超材料的工作频率难以调整的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超材料，包括：至少一个超材料结构单元，其中，超材料结构单元包括：基底材料以及附着在基底材料上的导电几何结构，导电几何结构包括具有至少两个缺口的金属环，其中，至少两个缺口呈对称结构；任意一个缺口处加载有变容二极管。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种天线反射面，包括上述实施例中任意一种超材料。

根据本发明实施例的又一个方面，提供了一种超材料的控制方法，超材料包括上述实施例中任意一项超材料，超材料的控制方法包括：获取变容二极管的电容与超材料的工作频率的关系模型；根据目标工作频率在关系模型中查找与目标工作频率对应的工作电容；通过将变容二极管的电容调整至工作电容，来调整超材料的工作频率。

根据本发明实施例的第四个方面，提供了一种超材料的控制装置，超材料包括上述实施例中任意一项超材料，超材料的控制装置包括：获取模块，用于获取变容二极管的电容与超材料的工作频率的关系模型；查找模块，用于根据目标工作频率在关系模型中查找与目标工作频率对应的工作电容；调整模块，用于通过将变容二极管的电容调整至工作电容，来调整超材料的工作频率。

本申请提供的方案利用变容二极管的特性在于变容二极管利用PN结之间电容可变的原理制成，可以作为可变电容器使用，在变容二极管的电容发生变化时，使超材料的工作频率发生相应变化，从而达到控制超材料的工作频率的技术效果，解决了现有技术中超材料的工作频率难以调整的技术问题，进而实现对超材料的电磁特性的实时控制。

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1的一种超材料结构单元的示意图；

图2是根据本发明实施例1的一种超材料的结构示意图；

图3是根据本发明实施例1的一种变容二极管的工作电容与超材料的工作频率的关系示意图；

图4是根据本发明实施例3的一种超材料的制作方法的流程图；以及

图5是根据本发明实施例4的一种超材料的制作装置的结构图。

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。

实施例1

根据本发明实施例，提供了一种超材料的实施例，图1是根据本发明实施例1的一种超材料结构单元的示意图，如图1所示，该超材料包括：至少一个超材料结构单元，其中，超材料结构单元包括：基底材料以及附着在基底材料上的导电几何结构，其中，

导电几何结构包括具有至少两个缺口的金属环，其中，至少两个缺口呈对称结构；

任意一个缺口处设置有变容二极管。

在一种可选的实施例中，结合图1所示的示例，上述金属环为金属圆环，在呈对称结构的两个缺口中的左侧缺口设置变容二极管，右侧缺口为超材料提供满足该工作频率下所需的电容，其中，设置变容二极管的方法可以是焊接，粘连，但不限于此。设置完成后，形成两个“C”形金属片，并且两个“C”的口部正对，在两个“C”形金属片的一端，通过变容二极管连接。

在另一种可选的实施例中，结合图2所示的超材料的结构示意图，该超材料有多个图1所示的超材料结构单元构成。具体的，图2所示的超材料结构呈阵列排列。

此处需要说明的是，变容二极管的特性在于变容二极管利用PN结之间电容可变的原理制成，因此可以作为可变电容器使用，本申请上述实施例利用变容二极管的特性，在变容二极管的电容发生变化时，使超材料的工作频率发生相应变化，从而达到了超材料电可控的技术效果，进而实现对超材料的电磁特性的实时控制。

可选的，导电几何结构平面排布于基底材料。

具体的，上述基底材料可以是F4B，FR4等。

可选的，在超材料包括多个导电几何结构的情况下，每个导电几何结构中的金属环的缺口排布方向一致，即每个导电几何结构中的两个“C”形金属片的排列方式均相同，其中，每个导电几何结构中的变容二极管位于同一侧。

在一种可选的实施例中，结合图2所示的超材料的结构示意图，该超材料有多个图1所示的超材料结构单元构成，每个导电几何结构的缺口都以水平左右的方向排布，且每个导电几何结构的变容二极管都设置于导电几何结构的左侧缺口。

可选的，超材料结构单元按照等间距的结构排列。

可选的，超材料结构单元的间距为预设距离。

可选的，预设距离处于1/2λ到λ的范围内，λ为与超材料的中心工作频率对应的波长。

可选的，变容二极管的电容与超材料的工作频率具有预设关系。

在一种可选的实施例中，结合图3所示的示例，图3显示了在该实施例中，变容二极管的工作电容与超材料的工作频率的对应关系。

此处需要说明的是，通常超材料具有能够正常工作的频率范围，超过该范围后超材料的电磁特性会减弱甚至消失，以至于不能达到工作需求，在这一频带范围内包含一个中心工作频率，超材料在上述中心工作频率工作时具有最佳电磁特性。

可选的，超材料的工作频率处于0.5GHz到300GHz的范围内。

可选的，金属环的材料至少包括如下任意一种或多种：铜、银或金。

可选的，基底材料为非磁性介质材料。

可选的，非磁性介质材料的介电常数处于2到10的范围内，非磁性介质材料的磁导率为预设常数。

可选的，预设常数为1。

以下以图2所示的超材料作为示例进行详细描述：

在一种可选的实例中，选取上述超材料的中心工作频率f为15GHz，则该工作频率对应的波长λ为20mm。金属结构的材料为铜，基底材料为F4B(介电常数为3.0，磁导率为1)，去基底材料呈边长为10mm的正方形，金属环的宽度为1mm,两个缺口呈对称结构分布于金属圆环，且两个缺口均为1mm，金属环厚度为0.035mm，基底材料厚0.3mm，周期性排列中，两个超材料单元之间的中心距离为10mm。

实施例2

根据本发明实施例，提供了一种天线反射面的实施例，该天线反射面包括上述实施例中任意一项的超材料。

可选的，上述天线反射面的入射波为满足远场条件的电磁波，例如平面波。

此处需要说明的是，在天线反射面的入射波为平面波的情况下，能够确保超材料中的每个超材料结构单元接收的电磁波具有相同的幅值和相位，不需要由于每个超材料结构单元的位置不同导致的接收的电磁波不同而进行补偿。

在一种可选的实施例中，仍以上述超材料作为示例，设计天线阵面尺寸为100mm×100mm，在天线H面方向排列超材料，通过对电可控超材料上加载的变容二极管上的电压进行调节，控制变容二极管内的电容，从而实现对天线工作频率的调节。图2所示的超材料也可以是一种天线阵面分布。

辐射频率由下列公式决定：

其中L为金属环的电感,C为变容二极管的电容值，ω为对应的瞬时工作频率。

实施例3

根据本发明实施例，提供了一种超材料的控制方法的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图4是根据本发明实施例的超材料的控制方法，如图4所示，上述超材料包括实施例1中的任意一项所述的超材料，该方法包括如下步骤：

步骤S402，获取变容二极管的电容与超材料的工作频率的关系模型。

步骤S404，根据目标工作频率在关系模型中查找与目标工作频率对应的工作电容。

步骤S406，通过将变容二极管的电容调整至工作电容，来调整超材料的工作频率。

由上可知，本申请上述步骤获取变容二极管的电容与超材料的工作频率的关系模型，根据目标工作频率在关系模型中查找与目标工作频率对应的工作电容，通过将变容二极管的电容调整至工作电容，来调整超材料的工作频率。上述方案利用变容二极管的特性在于变容二极管利用PN结之间电容可变的原理制成，可以作为可变电容器使用，在变容二极管的电容发生变化时，使超材料的工作频率发生相应变化，从而达到控制超材料的工作频率的技术效果，解决了现有技术中超材料的工作频率难以调整的技术问题，进而实现对超材料的电磁特性的实时控制。

可选的，根据本申请上述步骤，获取变容二极管与超材料的关系模型，包括：

步骤S4021，通过预设算法得到与变容二极管的电容对应的超材料的工作频率。

步骤S4023，记录变容二极管的电容对应的超材料的工作频率，得到关系模型。

在一种可选的实施例中，可以利用电磁仿真软件CST计算与变容二极管的电容对应的超材料的工作频率，变容二极管的电容对应的超材料的工作频率可以是如图3所示的示例，可以设计周期性边界条件，当变容二极管的电容值从(0.02pF-0.3pF)时，频率调制为(13.34GHz–17.60GHz)。

可选的，根据本申请上述步骤，通过调整变容二极管的外加反偏电压来调整变容二极管的电容。

实施例4

根据本发明实施例，提供了一种超材料的控制装置的装置实施例，结合图5所示，上述超材料包括实施例1中任意一种超材料，该装置包括：

获取模块50，用于获取变容二极管的电容与超材料的工作频率的关系模型；

查找模块52，用于根据目标工作频率在关系模型中查找与目标工作频率对应的工作电容；

调整模块54，用于通过将变容二极管的电容调整至工作电容，来调整超材料的工作频率。

由上可知，本申请上述装置通过获取模块获取变容二极管的电容与超材料的工作频率的关系模型，通过查找模块根据目标工作频率在关系模型中查找与目标工作频率对应的工作电容，通过将变容二极管的电容调整至工作电容，采用调整模块来调整超材料的工作频率。上述方案利用变容二极管的特性在于变容二极管利用PN结之间电容可变的原理制成，可以作为可变电容器使用，在变容二极管的电容发生变化时，使超材料的工作频率发生相应变化，从而达到控制超材料的工作频率的技术效果，解决了现有技术中超材料的工作频率难以调整的技术问题，进而实现对超材料的电磁特性的实时控制。

根据本申请上述实施例，获取模块50包括：

计算模块，用于通过预设算法得到与变容二极管的电容对应的超材料的工作频率。

记录模块，用于记录变容二极管的电容对应的超材料的工作频率，得到关系模型。

在一种可选的实施例中，可以利用电磁仿真软件CST计算与变容二极管的电容对应的超材料的工作频率，变容二极管的电容对应的超材料的工作频率可以是如图2所示的示例，可以设计周期性边界条件，当变容二极管的电容值从(0.02pF-0.3pF)时，频率调制为(17.60GHz-13.34GHz)。

根据本申请上述实施例，通过调整变容二极管的外加反偏来调整变容二极管的电容。

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-Only Memory)、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 (17)

1.一种超材料，所述超材料包括：至少一个超材料结构单元，其中，所述超材料结构单元包括：基底材料以及附着在所述基底材料上的导电几何结构，其特征在于：

所述导电几何结构包括具有至少两个缺口的金属环，其中，所述至少两个缺口呈对称结构；

任意一个所述缺口设置有变容二极管。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述导电几何结构平面排布于所述基底材料。

3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，在所述超材料包括多个所述导电几何结构的情况下，每个所述导电几何结构中的金属环的缺口排布方向一致，其中，所述每个导电几何结构中的变容二极管位于同一侧。

4.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，所述超材料结构单元按照等间距的结构排列。

5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述超材料结构单元的间距为预设距离；所述预设距离处于1/2λ到λ的范围内，所述λ为与所述超材料的中心工作频率对应的波长。

6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述超材料的工作频率处于0.5GHz到300GHz的范围内。

7.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。

8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于，所述非磁性介质材料的介电常数处于2到10的范围内，所述非磁性介质材料的磁导率为预设常数。

9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述预设常数为1。

10.一种天线反射面，其特征在于，所述天线反射面包括权利要求1至9中任意一项所述的超材料。

11.根据权利要求10所述的天线反射面，其特征在于，所述天线反射面的入射波为满足远场条件的电磁波。

12.一种超材料的控制方法，其特征在于，所述超材料包括权利要求1至9中任意一项所述的超材料，其中，所述控制方法包括：

获取变容二极管的电容与所述超材料的工作频率的关系模型；

根据目标工作频率在所述关系模型中查找与所述目标工作频率对应的工作电容；

通过将所述变容二极管的电容调整至所述工作电容，来调整所述超材料的工作频率。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，获取变容二极管与所述超材料的关系模型，包括：

通过预设算法得到与所述变容二极管的电容对应的所述超材料的工作频率；

记录所述变容二极管的电容对应的所述超材料的工作频率，得到所述关系模型。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过调整所述变容二极管的外加反偏电压来调整所述变容二极管的电容。

15.一种超材料的控制装置，其特征在于，所述超材料包括权利要求1至11中任意一项所述的超材料，其中，所述控制装置包括：

获取模块，用于获取变容二极管的电容与所述超材料的工作频率的关系模型；

查找模块，用于根据目标工作频率在所述关系模型中查找与所述目标工作频率对应的工作电容；

调整模块，用于通过将所述变容二极管的电容调整至所述工作电容，来调整所述超材料的工作频率。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述获取模块包括：

计算模块，用于通过预设算法得到与所述变容二极管的电容对应的所述超材料的工作频率；

记录模块，用于记录所述变容二极管的电容对应的所述超材料的工作频率，得到所述关系模型。

17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，通过调整所述变容二极管的外加反偏电压来调整所述变容二极管的电容。