CN108683408B - 谐波幅相可独立调控的时域编码超表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波幅相可独立调控的时域编码超表面，包括：n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，由同一信号控制，各个子阵由控制电路提供控制信号。本发明的有益效果为：(1)本发明原理简单，只需要改变控制信号的频率，控制电压的幅度以及控制信号的时延，就可以实现谐波幅相独立调控；(2)本发明利用将多个基本单元组成基本子阵，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元反射系数所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；(3)与传统设计相比，本发明仅通过高速动态变化的控制信号实现谐波幅相的独立调控，而不需要使用非线性材料，故可以缩短设计周期，降低设计难度，减少制造成本。

Description

谐波幅相可独立调控的时域编码超表面

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料技术领域，尤其是一种谐波幅相可独立调控的时域编码超表面。

背景技术

电磁波在入射到具有相位梯度分布的电磁表面时，将发生异常反射，可由此在亚波长尺寸上调控电磁波的散射方向、极化方向以及波前形状。通过引入可调技术，可以设计出能够实时控制电磁波的可调超表面。传统的可调超表面由于需要连续的相位梯度分布，因此馈电网络非常复杂，而编码超表面是由有限的超表面单元组成，可以在不太影响原有超表面性能的基础上大大简化馈电网络设计难度。传统编码超表面的控制信号都是静态的，或者以非常低的频率在改变，因此是一个线性器件，本发明则通过高速动态改变编码超表面的控制信号，在时间维度上提供了额外的自由度，使得时域编码超表面在不需要使用非线性材料的前提下成为了一个非线性器件，进而可以对各阶谐波的幅度和相位进行独立调控。本发明在通信、隐身和成像领域具有潜在应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种谐波幅相可独立调控的时域编码超表面，能够对各阶谐波的幅度和相位进行独立调控。

为解决上述技术问题，本发明提供一种谐波幅相可独立调控的时域编码超表面，包括：n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，由同一信号控制，各个子阵由控制电路提供控制信号。

优选的，基本单元从上至下依次包含5层，第一层为由变容二极管串接的两个矩形贴片，第二层为介质基板，第三层为馈电网络层，馈电网络层的正负极通过介质基板内的金属化通孔分别连接变容二极管两端的贴片，第四层为超薄绝缘层，第五层为金属背板。

优选的，在不同的控制电压下，在给定的频点上，电磁波后向反相位变化范围超过270°。

优选的，控制电路由现场可编程门阵列FPGA、数模转换模块DAC与放大电路模块Amplifier组成，实时生成范围高达21V的模拟电压，并经由馈电网络将其加载至时域编码超表面单元内的变容二极管两端；控制电路共有8路，其中数模转换模块DAC与放大电路模块Amplifier有3个输入端，1个输出端，其中输入端与FPGA相连，接收其输入的数字信号，输出端与时域编码超表面单元内变容二极管负极相连，输出经数模转换并放大的模拟电压信号至变容二极管，控制电路内运放芯片的电源电压为±12V，逻辑非门芯片电源电压为3.3V；所有时域编码超表面单元内变容二极管的正极都与负电源电压-12V相连，控制电路在FPGA控制下在变容二极管两端加载不同的偏置电压。

优选的，不同的偏置电压为：0V、3V、6V、9V、12V、15V、18V、21V。

本发明的有益效果为：(1)本发明原理简单，只需要改变控制信号的频率，控制电压的幅度以及控制信号的时延，就可以实现谐波幅相独立调控；(2)本发明利用将多个基本单元组成基本子阵，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元反射系数所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；(3)与传统设计相比，本发明仅通过高速动态变化的控制信号实现谐波幅相的独立调控，而不需要使用非线性材料，故可以缩短设计周期，降低设计难度，减少制造成本。

附图说明

图1为本发明的不同反射相位组合条件下反射波各阶段谐波计算结果示意图。

图2为本发明的不同编码序列下时域编码超表面反射波+1阶谐波的仿真方向示意图及对应的实验结果示意图。

图3为本发明的基本单元示意图以及参数仿真示意图。

图4为本发明的时域编码超表面反射波频谱能量的测量结果示意图。

图5为本发明的不同编码序列下时域编码超表面反射波各阶谐波方向图的仿真与实验结果示意图。

图6为本发明的谐波幅相可独立调控的时域编码超表面系统框架示意图。

图7为本发明的控制电路结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种谐波幅相可独立调控的时域编码超表面，包括：n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，由同一信号控制，各个子阵由控制电路提供控制信号。

本发明所提出的谐波幅相可独立调控的时域编码超表面由同一种基本单元构成，并通过馈电网络将多个基本单元组成子阵，通过控制信号实现对反射波谐波幅相的调控，该超表面类似平面可重构反射阵结构。

本发明的控制信号是使基本单元反射相位以一定周期T，占空比50％的方波的形式在不同值

之间高速切换，当入射波为单音正弦时，超表面反射波便会变化为以入射波频率为中心频率，控制信号周期倒数为谐波频率间隔的混频信号。不同的反射相位组合

条件下反射波各阶谐波计算结果如图1所示，从结果可以看出，当相位差

接近180°时，基频分量会被抑制，而奇次谐波分量将会增加，于是可以通过改变

的值来调控谐波的幅度。此外，利用傅里叶变换的时延特性，当给超表面单元的控制信号加上一定的时延t₀时，其反射系数变化为：

可以看出时延对反射系数只是在第k阶谐波处增加额外的

的相移，因此可以通过引入时延来调控谐波的相位，从而实现谐波幅相的独立调控。本发明利用编码超表面的思想对基本单元进行编码，以时延t₀＝0作为码元“0”，时延t₁＝T/2作为码元“1”，其中T为控制信号周期，此时对于反射波+1阶谐波而言两种单元相位差为π，幅度相同。通过改变时域编码超表面控制信号对应的编码序列，可以对反射波+1阶谐波的方向图进行调控，其仿真结构如图2所示，从结果中可以明显看出编码序列对方向图的调控效果。

本发明基本单元结构如图3所示，由介质基板、覆盖在介质基板上表面的金属贴片与变容二极管、下表面的金属背板与馈电网络以及贯穿上下表面的金属馈电通孔组成。图3的(a)为单元斜视图；图3的(b)为单元正视图。金属背板可以防止电磁波透射。控制信号通过背面的馈电网络及金属通孔加载至变容二极管两端。通过优化基本单元的周期、贴片的尺寸以及介质厚度，使得基本单元在指定频带内，幅度上满足低损耗特性并具有大的相位变化范围，结果如图3的(c)(d)所示：图3的(c)为单元反射幅度随控制电压变化仿真结果图；图3的(d)为单元反射相位随控制电压变化仿真结果图。在3.7GHz出，反射幅度在-1.6dB以上，反射相位变化范围在270°以上。

本发明中，基本单元反射系数需要通过控制电压来改变，因此反射相位组合

便对应控制电压V₁/V₂。当入射波f₀＝3.7GHz正入射至时域编码超表面时，几组不同控制电压V₁/V₂以及不同控制信号周期T下的反射波频谱能量测试结果如图4所示，从结果中可以看出，控制信号周期T对反射波频谱能量几乎没有影响，控制电压V₁/V₂则对其影响巨大，与理论预期相符。当控制信号周期T＝6.4μs时，三组控制电压0V/12V(A₀)、9V/18V(A₁)、12V/21V(A₂)可以使反射波+1阶谐波能量分别下降0dB、5dB、10Db,以这三种控制电压组合以及两种时延生成控制信号，将其应用于图2的(a)(c)(e)的仿真设置中，得到的实验结果如图2的(b)(d)(f)所示，其中图2的(b)的控制信号对应的编码序列为“00000000”，图2的(d)为“00001111”，图2的(f)为“00110011”,图中外部、中间、内部方向图曲线代表控制信号对应的控制电压组合分别为A₀、A₁、A₂。从实验结果中可以看出仿真与实测结果十分吻合，当只改变控制电压组合或是编码序列时，只会改变对应的谐波能量或方向图，这一点恰恰证明了本发明对反射波谐波幅相独立调控的能力。

本发明中，同一时延会对不同阶谐波产生不同的相移，因此可以对多阶谐波进行同时调控。以时延0、T/8、T/4、3T/8、T/2、5T/8、3T/4、7T/8分别作为码元“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”，则它们对于+1阶谐波而言分别具有0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4的相移；对于-1阶谐波而言分别具有0、-π/4、-π/2、-3π/4、-π、-5π/4、-3π/2、-7π/4的相移；对于+3阶谐波而言分别具有0、3π/4、3π/2、9π/4、3π、15π/4、9π/2、21π/4的相移；对于-3阶谐波而言分别具有0、-3π/4、-3π/2、-9π/4、-3π、-15π/4、-9π/2、-21π/4的相移。以T＝6.4μs为控制信号周期，f₀＝3.7GHz为入射波正入射到加载有不同编码序列的时域编码超表面上，其反射波各阶谐波方向图的仿真及实验结果如图5所示。各图中仿真结果用虚线表示，实验结果用实线表示，实验结果与仿真结果十分吻合，从结果中可以明显的看出本发明具有对反射波各阶谐波同时调控的能力。

如图6所示为本发明所提出的谐波幅相可独立调控的时域编码超表面的系统框架图与实物图。从框架图中可以看出，本发明沿入射波电场方向的基本单元组成了1×7的子阵，由同一信号控制；而沿入射波磁场方向的各个子阵由各自的控制信号分别独立控制，这样的子阵共有8个。采用组成子阵的方式可以降低由于单元边界不同对其反射系数所造成的干扰并且可以降低控制电路的复杂度。

如图7所示为本发明的控制电路结构示意图。控制电路由现场可编程门阵列FPGA、数模转换模块DAC与放大电路模块Amplifier组成，实时生成范围高达21V的模拟电压，并经由馈电网络将其加载至时域编码超表面单元内的变容二极管两端；控制电路共有8路，其中数模转换模块DAC与放大电路模块Amplifier有3个输入端，1个输出端，其中输入端与FPGA相连，接收其输入的数字信号，输出端与时域编码超表面单元内变容二极管负极相连，输出经数模转换并放大的模拟电压信号至变容二极管，控制电路内运放芯片的电源电压为±12V，逻辑非门芯片电源电压为3.3V；所有时域编码超表面单元内变容二极管的正极都与负电源电压-12V相连，控制电路在FPGA控制下在变容二极管两端加载不同的偏置电压，这些电压值可以为：0V、3V、6V、9V、12V、15V、18V、21V；控制信号为在两种偏置电压值之间切换的方波信号，其可以使时域编码超表面单元反射系数相位也以方波信号的形式变换，由此可以控制谐波的幅度，8路控制电路由拥有精准时序排布的FPGA同时控制，可生成不同时延的控制信号，从而控制谐波的相位，由此达到谐波幅相独立调控的目的。

本发明所提出的谐波幅相可独立调控的时域编码超表面利用控制电压组合来调节反射波各阶谐波幅度，利用控制信号时延来调节反射波各阶谐波相位，实现了反射波各阶谐波幅相的独立调控，还实现了多阶谐波的同时调控，本发明原理简单、成本低廉，易于实现，这使得其在通信、隐身和成像领域具有十分巨大的应用价值。

Claims (5)

1.一种谐波幅相可独立调控的时域编码超表面，其特征在于，包括：n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，由同一信号控制，各个子阵由控制电路提供控制信号；控制信号是使基本单元反射相位以一定周期T，占空比50％的方波的形式在不同值

和

之间高速切换，当入射波为单音正弦时，超表面反射波便会变化为以入射波频率为中心频率，控制信号周期倒数为谐波频率间隔的混频信号；当相位差

接近180°时，基频分量会被抑制，而奇次谐波分量将会增加，通过改变

和

的值来调控谐波的幅度；利用傅里叶变换的时延特性，当给超表面单元的控制信号加上一定的时延t₀时，其反射系数变化为：

时延对反射系数只是在第k阶谐波处增加额外的

的相移，通过引入时延来调控谐波的相位，从而实现谐波幅相的独立调控。

2.如权利要求1所述的谐波幅相可独立调控的时域编码超表面，其特征在于，基本单元从上至下依次包含5层，第一层为由变容二极管串接的两个矩形贴片，第二层为介质基板，第三层为馈电网络层，馈电网络层的正负极通过介质基板内的金属化通孔分别连接变容二极管两端的贴片，第四层为超薄绝缘层，第五层为金属背板。

3.如权利要求1所述的谐波幅相可独立调控的时域编码超表面，其特征在于，在不同的控制电压下，在给定的频点上，电磁波后向反相位变化范围超过270°。

4.如权利要求1所述的谐波幅相可独立调控的时域编码超表面，其特征在于，控制电路由现场可编程门阵列FPGA、数模转换模块DAC与放大电路模块Amplifier组成，实时生成范围高达21V的模拟电压，并经由馈电网络将其加载至时域编码超表面单元内的变容二极管两端；控制电路共有8路，其中数模转换模块DAC与放大电路模块Amplifier有3个输入端，1个输出端，其中输入端与FPGA相连，接收其输入的数字信号，输出端与时域编码超表面单元内变容二极管负极相连，输出经数模转换并放大的模拟电压信号至变容二极管，控制电路内运放芯片的电源电压为±12V，逻辑非门芯片电源电压为3.3V；所有时域编码超表面单元内变容二极管的正极都与负电源电压-12V相连，控制电路在FPGA控制下在变容二极管两端加载不同的偏置电压。

5.如权利要求4所述的谐波幅相可独立调控的时域编码超表面，其特征在于，不同的偏置电压为：0V、3V、6V、9V、12V、15V、18V、21V。

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