CN108511916A - 一种数字式可编程时空编码超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式可编程时空编码超材料，由时变的人工电磁表面和数字控制模块两部分构成。其中，人工电磁表面由时变编码单元在空间上周期排布构成，每个单元结构集成了一个开关二极管，由数字控制模块提供不同的偏置电压，可以呈现不同的电磁响应。基本单元不仅在空间上排布可控，并且在时间维度上按照相应的时间编码序列周期性循环，可以在频率域产生相应的谐波能量分布，最终可以实现在空间域和频率域同时调控电磁波。通过设计时‑空编码矩阵，时空编码超材料可以实现许多新奇的功能，例如谐波波束扫描，以及散射能量抑制等。此外，探索编码超材料的时间维度，可以实现超材料频谱能量的精确控制，在无线通信等领域都有重要的应用前景。

Description

一种数字式可编程时空编码超材料

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种基于可编程时变单元的数字式时空编码超材料。

背景技术

新型人工电磁材料，亦称电磁超材料(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/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。电磁超材料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)。近些年来，为了减少体超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面(Metasurfaces)也广泛地用于调控电磁波。

崔铁军教授课题组在2014年提出了数字编码和可编程超材料的概念，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时调控，区别于基于等效媒质理论的传统超材料。例如，1比特编码超材料是两个数字单元“0”和“1”(分别对应0和π的相位响应)按照一定的编码序列构成；而2比特编码超材料是由四个数字单元“00”、“01”、“10”和“11”(分别对应0，π/2,π和3π/2的相位响应)。这种超材料可以通过设计编码序列来实现对电磁波的调控。此外，在单元上加载有源可调器件，结合FPGA等控制电路可以实现功能实时可切换的可编程超材料。(参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,"Coding metamaterials,digitalmetamaterials and programmable metamaterials,"Light-Science & Applications,vol.3,p.e218,Oct 2014.)

以上提到的编码超材料仅有空间维的编码，没有考虑在时间维度上周期变化的编码，也就是说在某时刻的空间编码是固定的，仅仅在需要变换功能的时候切换空间编码。

发明内容

发明目的：本发明目的在于提供一种数字式可编程时空编码超材料，填补现有的空间编码超材料在时间维度上的空白，引入时间维度的调制，可以在空间域和频率域同时调控电磁波，提供了更大的自由度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种数字式可编程时空编码超材料，由时变编码单元在空间上周期排布构成，每个单元结构集成了一个开关二极管，数字控制模块具有变压模块，能够为二极管提供两种不同的偏置电压，使其导通或者关断，使单元结构呈现对电磁波反射相位差180度的两种不同电磁响应。每个单元拥有独立的时间编码序列，并由数字控制模块提供的偏置电压来快速切换，时空编码超材料在时间维度上按照相应的时间编码序列周期性循环，可以在频率域产生对应的谐波能量分布。

进一步地，时变编码单元在空间上分成若干列，每列的多个单元结构使用相同的偏置电压，通过数字控制模块输出的同一组时间编码序列进行控制。

进一步地，所述时变编码单元包括被印刷在介质基片正面的矩形金属贴片，介质基板背面全部覆铜的反射地板，一个通过金属过孔连接矩形金属贴片和反射地板的开关二极管。矩形金属贴片和地板分别与直流电源的两极相连为二极管提供偏置电压。

进一步地，所述的超材料为超表面。

进一步地，所述两种不同的电磁响应用二进制数字“0”和“1”来表示。

本发明的数字式可编程时空编码超表面在实际应用中非常广泛，引入时间维度的编码可以实现空间域和频率域能量的同时调控，可以用于直接辐射的无线通信系统、方向调制的多用户保密通信、可认识雷达系统，自适应波束形成，电磁成像、数字信号处理、非线性调控等应用。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.本发明中的时空编码超表面不仅仅有空间编码，而是引入周期调制的时间维编码序列构成了时空三维编码，不仅可以控制电磁波的空间特性，也可以在频率域上控制电磁波能量分布。时空联合编码的设计为调控电磁波提供了更大的自由度。

2.本发明中的时空编码超表面的单元结构的时间编码序列是在一定周期内循环，并且时间编码序列实时可控，通过数字控制模块写入不同的时间编码序列，可以实现不同的功能，在实用中将更加灵活方便。

3.本发明加工方便，易于实现。微波段时空编码超表面的制作采用常规的印刷电路板工艺即可，每个单元上焊接商用开关二极管，数字控制模块可以采用现场可编程门阵列(FPGA)、单片机、CPLD等。

附图说明

图1是数字式可编程时空编码超表面的原理示意图。

图2是时空编码超表面对应的一组随机三维时空编码矩阵示意图；

图3是该组时空编码矩阵下每个时变单元在+2阶谐波频点的等效幅度激励示意图；

图4是该组时空编码矩阵下每个时变单元在+2阶谐波频点的等效相位激励示意图；

图5是该组时空编码矩阵下超表面在+2阶谐波频点的三维散射方向图；

图6是该组时空编码矩阵下超表面在+2阶谐波频点的二维极坐标散射方向图；

图7是利用二进制粒子群优化算法得到的时空编码矩阵示意图；

图8是利用二进制粒子群优化算法得到的时空编码矩阵在不同谐波频点处的一维方向图；

图9是利用二进制粒子群优化算法得到的时空编码矩阵在不同谐波频点处的二维方向图；

图10是利用二进制粒子群优化算法得到的时空编码矩阵在不同谐波频点处的三维方向图；

图11是时空编码超表面的阵列结构示意图；

图12是包括一个开关二极管的时变编码单元的结构示意图；

图13是时变编码单元结构在二极管关断状态下，加载和不加载偏压线的电场分布；

图14是时变编码单元结构在二极管导通状态下，加载和不加载偏压线的电场分布；

图15是二极管导通和关断的等效电路模型；

图16是时变编码单元的反射相位随频率变化的曲线；

图17是时变编码单元的反射幅度随频率变化的曲线；

图18是在9.8GHz单音信号的照射下，时空编码超表面在不同谐波处的远场散射方向图；

图19是在10.0GHz单音信号的照射下，时空编码超表面在不同谐波处的远场散射方向图；

图20是均匀等相位分布的超表面阵列示意图；

图21是0和1编码按照棋盘格分布的空间编码超表面示意图；

图22是根据0和1编码按照棋盘格分布的空间编码按照时间10011010周期变换的三维时空编码矩阵示意图；

图23是均匀等相位分布超表面的二维散射方向图；

图24是空间棋盘格编码分布超表面的二维散射方向图；

图25是时空编码超表面在不同谐波频点处的二维散射方向图。

具体实施方式：

本发明中，数字式可编程时空编码超表面由时变的人工电磁表面和数字控制模块两部分构成。其中，人工电磁表面由时变编码单元在空间上周期排布构成，每个单元结构集成了一个开关二极管，在两种不同的偏置电压，单元结构呈现对电磁波反射相位差180度的两种不同电磁响应，分别标记为“0”和“1”二进制编码。每个时变的编码单元拥有独立的一组时间编码序列，由数字控制模块提供的偏置电压来快速切换，并在一定的时间周期内按照时间编码序列循环。基于傅里叶变换理论，可以在频率域产生对应的谐波能量分布，最终可以在空间域和频率域同时调控电磁波。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1是数字式可编程时空编码超表面的原理示意图。这里只考虑了8×8的可编程超表面阵列，单元周期为半波长，每个单元都包含一个高频开关二极管。通过FPGA输出不同的偏置电压，单元的反射系数(幅度和相位)可以动态的调控，这里以反射相位相差180度的“0”和“1”编码为例(反射幅度均相同)，每个单元都由FPGA输入一组独立的时间编码序列，并在很短的时间周期T₀内循环。基于傅里叶变换理论，周期信号可以利用傅里叶级数在频域展开。在单音电磁波信号f_c的照射下，入射波能量将分散到基波频点f_c和其他谐波频点f_c+mf₀，其中f₀是每组时间编码序列的调制频率，一般远小于基波频率f_c。

图2展示了一组随机的三维时空编码矩阵，其维度为(8,8,8)，代表了编码超表面包含了8×8的基本单元，并且每个单元的时间编码序列长度为8。其中，不同灰度的圆点分别代表“0”和“1”编码。整个时空编码超表面按照图2中的编码序列进行周期循环。图3和4分别给出了在图2中时空编码下+2阶谐波频点处的等效激励幅度和相位。图5和6分别给出了超表面在+2阶谐波频点处的三维和二维散射方向图。得益于精准的时空编码联合调控，可以任意设计空间域和频域率的散射能量分布。

图7-10给出了一个基于时空联合编码的具体实例：谐波波束扫描。这里利用二进制粒子群优化算法(BPSO)来优化时空编码矩阵，实现不同谐波频点的波束指向不同的方向。简单起见，超表面的每列单元拥有相同的编码态，时间编码序列长度为10。经过大量的迭代优化，得到的时空编码矩阵如图7所示，计算得到的一维谐波扫描方向图如图8所示。图9和10分别是对应的不同谐波频点处二维和三维散射方向图，可以看出在这组优化的时空编码下超表面实现了很好的谐波波束扫描效果。

图11-17展示了时空编码超表面的结构示意图及单元的反射特性。图11是逐列可控的8×8可编程超表面，每列8个单元共用一路控制电压，其单元结构如图12所示：矩形金属贴片印刷在介质基片正面，介质基板背面全部覆铜用作反射地板，一个开关二极管通过金属过孔连接矩形金属贴片和反射地板，宽度为0.2mm的高阻偏压线连接矩形贴片的中点为二极管提供偏置电压，从图13和14可以看出高阻偏压线的引入几乎不影响金属贴片表面的电场分布，也验证了在单元表面进行馈电的可行性。另外，在每列控制偏压线的末端需焊接一个2nH的贴片电感，用于阻隔射频交流信号。时变编码单元的具体尺寸参数为：其中单元周期为15mm(半个波长)，矩形金属长7.6mm宽6mm，介质基板厚度为2mm，介电常数2.65，损耗角正切0.001。图15给出了单元加载的开关二极管的等效参数模型，用于建模进行全波仿真，其中电路参数R＝7.8Ω、C＝28pF、L＝30pH。图16和17分别是单元结构的反射相位和幅度随频率变化的曲线，当二极管分别处于开和关两种状态下，在设计频点10.0GHz左右相位差达到180度，并且反射幅度都保持在0.95以上。需要说明的是，具体的单元结构设计可以根据具体需求利用软件仿真获得，设计人员可以根据此原则设计一比特和多比特相位或幅度编码单元。

对图7-10的设计进行实验验证，在标准的微波暗室进行，其中一个连接微波信号源的线极化喇叭天线作为激励源，并发射固定频率的单音信号。喇叭天线和加工的时空编码超表面样品都固定在天线转台上。此外，另一个连接频谱分析仪的线极化喇叭天线用于接收不同谐波频率的散射信号。FPGA控制模块连接超表面上预先设计好的排插，并且存储了一组按照图7中编码变化的程序。本实施例设计的时间编码序列周期为2微秒，对应系统的调制频率为0.5MHz。图18和19分别给出了发射信号频率为9.8GHz和10.0GHz时的-3阶到+3阶的谐波散射方向图，可以看出谐波波束指向和图8-10中的设计很好的吻合。

图20-25是本发明中时空编码超表面用于降低雷达散射截面的另一个实施例。图20为均匀等相位分布的8×8超表面阵列，用于模拟平面金属板的散射，其散射方向图如图23所示，在垂直反射方向有个很强的散射峰，能量约为36.12dB。图21是0和1编码按照棋盘格分布的空间编码超表面，其散射方向图如24所示，在空间有四个较强的散射峰，最大的能量约为30.46dB。图22是图21中的棋盘格空间编码按照时间编码10011010变化的三维时空编码矩阵，其相应的不同谐波频点的散射方向图如图25所示。总之，时间维和空间维的联合编码可以将入射波能量同时扩散到空间域和频率域。相比于图23中的参考金属板和图24中的棋盘格编码排布，这种时空联合编码的超表面能够将上半空间的雷达散射截面分别降低14.48dB和8.8dB。引入时间维编码，可以很好的将空间散射能量分散到频率域，这是传统仅有空间编码方案所实现不了的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。由于本发明设计思路清晰，应用前景广泛，同样的概念可以拓展到太赫兹，红外以及可见光波段。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 (5)

1.一种数字式可编程时空编码超材料，其特征在于，由时变编码单元在空间上周期排布构成，每个单元结构集成了一个开关二极管，数字控制模块具有变压模块，能够为二极管提供两种不同的偏置电压，使其导通或者关断，使单元结构呈现对电磁波反射相位差180度的两种不同电磁响应，每个单元拥有独立的时间编码序列，并由数字控制模块提供的偏置电压来快速切换，时空编码超材料在时间维度上按照相应的时间编码序列周期性循环，可以在频率域产生相应的谐波能量分布。

2.根据权利要求1所述的数字式可编程时空编码超材料，其特征在于，时变编码单元在空间上分成若干列，每列的多个单元结构使用相同的偏置电压，通过数字控制模块输出的同一组时间编码序列进行控制。

3.根据权利要求1所述的数字式可编程时空编码超材料，其特征在于，所述时变编码单元包括被印刷在介质基片正面的矩形金属贴片，介质基板背面全部覆铜的反射地板，一个通过金属过孔连接矩形金属贴片和反射地板的开关二极管。矩形金属贴片和地板分别与直流电源的两极相连为二极管提供偏置电压。

4.根据权利要求1所述的数字式可编程时空编码超材料，其特征在于，所述的超材料为超表面。

5.根据权利要求1所述的数字式可编程时空编码超材料，其特征在于，所述两种不同的电磁响应用二进制数字“0”和“1”来表示。