CN108718003A - 一种可编程数字超材料的有源偏置装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁超材料领域，尤其涉及一种可编程数字超材料的有源偏置装置及方法。该装置包括数字编码板、接地板、行扫描偏置板和列扫描偏置板，所述数字编码板为印刷有周期性金属编码图案的单层介质板；所述行扫描偏置板为印刷有行扫描金属连线的单层介质板；所述列扫描偏置板为印刷有行列扫描金属连线的单层介质板。本发明还提供了有源偏置方法，通过行、列扫描连线将外部偏置源脉冲传导作用到每个编码单元，改变脉冲的幅度、脉宽、重频以及时序控制编码单元的阻抗变化，进而动态调整有源偏置装置的编码状态。本发明通过不同偏置线路的脉冲波形设计，可实现逐行扫描、逐列扫描或局部扫描。

Description

一种可编程数字超材料的有源偏置装置及方法

技术领域

本发明属于电磁超材料领域，尤其涉及一种可编程数字超材料的有源偏置装置及方法。

背景技术

电磁超材料是指通过人工结构设计实现自然界材料无法具备的超常物理特性的复合材料，具体来说，是通过调节亚波长电磁周期单元的尺寸和排布规律，对物理场进行灵活操控，突破自然界材料现有功能的限制。

基于传统等效媒质法设计的电磁超材料虽然功能新颖，但是只能实现某种特定功能的电磁调控，当外界环境发生变化时，材料性能可能下降甚至不能使用，因此需要设计一种实时可调的新型电磁超材料。常用的技术手段是在单元结构中加载阻抗参数可变的电子器件，通过外部加电的方式单独对每个电子器件及其单元结构的工作状态进行控制，获得传统超材料无法媲美的“现场可编程”的电磁波操控能力，极大地丰富和拓展了电磁超材料的应用。

作为一类典型的新型电磁超材料，可编码数字超材料在有源电控的基础上，进一步对单元状态进行“数字化”编码，从设计层面可实现与信息系统的兼容。从实际应用角度考虑，可编程数字超材料的电尺寸越大，电磁操控能力越好，如扫描角度越精细，扫描波束指向性越强。但与此同时，超材料单元总数目也急剧增加，传统采用单元独立控制的设计虽然响应速度快、控制灵活，但会增加驱动电路的复杂性和加工制造的成本，给电磁超材料大面积应用带来困难。

发明内容

针对可编码数字超材料大面积应用时驱动复杂、成本高的问题，本发明提出一种基于行列扫描式电控驱动的有源偏置装置，该装置通过电子器件状态的分时控制，在不显著影响可编码数字超材料的响应时间前提下，可简化驱动电路，提高控制精度。具体技术方案如下：

一种可编程数字超材料的有源偏置装置，包括数字编码板、接地板、行扫描偏置板和列扫描偏置板，所述数字编码板为印刷有周期性金属编码图案的单层介质板，每个金属编码图案由一个梯形金属贴片和一个倒梯形金属贴片组成；所述梯形金属贴片与倒梯形金属贴片之间加载有电子器件；所述电子器件的一端连接梯形金属贴片，另一端连接倒梯形金属贴片；每个金属编码图案中的金属贴片中心位置开设有第一类过孔；

所述接地板上开设有周期性第二类过孔；所述行扫描偏置板为印刷有行扫描金属连线的单层介质板；所述列扫描偏置板为印刷有行列扫描金属连线的单层介质板；所述行扫描偏置板上开设有周期性第三类过孔；所述列扫描偏置板上开设有周期性第四类过孔；

所述第一类过孔、第二类过孔、第三类过孔和第四类过孔的周期相同且位置对应；

所述行扫描金属连线的一端与电子器件负极端连接的金属编码图案相连，另一端与外部偏置源相连；所述列扫描金属连线的一端与电子器件正极端连接的金属编码图案相连，另一端与外部偏置源相连；不同行、列扫描金属连线馈电独立设置。

优选地，所述电子器件为二极管或变容管或晶体管。

优选地，将所述单层介质板均替换为多层介质板。

本发明还提供了一种可编程数字超材料的有源偏置方法，采用上述的可编程数字超材料的有源偏置装置，通过行、列扫描连线将外部偏置源脉冲传导作用到每个金属编码图案构成的编码单元，改变脉冲的幅度、脉宽、重频以及时序控制编码单元的阻抗变化，进而动态调整有源偏置装置的编码状态，其中脉冲幅度直接决定编码单元导通效果，脉宽和重频共同决定编码单元发生导通的平均效果，时序决定编码单元发生导通的先后顺序。通过不同偏置线路的脉冲波形设计，可实现逐行扫描、逐列扫描或局部扫描。

采用本发明获得的有益效果：1.通过行列扫描的精简驱动设计，可以显著减少外部偏置线路的数量，降低驱动控制模块的硬件设计复杂度；2.通过驱动脉冲波形的灵活设计，可以充分利用电子器件或材料的电荷累积效应，将单一的电压幅度调控转变为电压幅度、脉冲宽度、重复频率等多参数联合调控，实现更加精准的器件阻抗状态调控。

附图说明

图1为独立电控式可编程数字超材料的整体结构示意图；

图2为独立电控式可编程数字超材料的接地板正面结构示意图；

图3为独立电控式可编程数字超材料的偏置板正面结构示意图；

图4为独立电控式可编程数字超材料的偏置板背面结构示意图；

图5为本发明中可编程数字超材料的有源偏置装置整体结构示意图；

图6为本发明装置中的接地板正面结构示意图；

图7为本发明装置中的行扫描偏置板正面结构示意图；

图8为本发明装置中的行扫描偏置板背面结构示意图；

图9本发明装置中的列扫描偏置板正面结构示意图；

图10本发明装置中的列扫描偏置板背面结构示意图；

图11-图14为四种不同编码状态对应的行列扫描驱动脉冲波形。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作介绍。为了便于理解本发明可编程数字超材料的有源偏置装置中的技术方案，首先对现有技术中的传统单元独立电控式可编程数字超材料结构进行介绍。

图1为传统单元独立电控式可编程数字超材料结构示意图，由数字编码板1、接地板2和偏置板3组成，其中数字编码板1包含5×5个编码单元(亚波长尺寸)，编码单元为表面印制有特定金属编码图案的介质板，包含梯形金属贴片4、倒梯形金属贴片5、金属过孔6、金属过孔8和二极管7，二极管7负极与梯形金属贴片4相连，二极管7正极与倒梯形金属贴片5相连，梯形金属贴片4、倒梯形金属贴片5分别通过金属过孔6、金属过孔8连接到偏置板3，通过外部偏置电压控制二极管7的导通和关断，可实现编码单元幅度和相位的调控。

如图2为独立电控式可编程数字超材料的接地板正面结构示意图，接地板2为加载有两类过孔的金属板，一类过孔为接地金属过孔，一类为空过孔，过孔主要作用是实现不同层的金属结构的电连接或电绝缘，如金属过孔16与金属过孔6相连，实现二极管7的负极接地，金属过孔8穿过空过孔18与偏置板3相连，图2中金属过孔9和金属过孔18是同一类型过孔。

图3为独立电控式可编程数字超材料的偏置板正面结构示意图，偏置板3为背面印制有规则金属连线的介质板，包含50个金属过孔和25条偏置线，如金属过孔10、金属过孔17、金属过孔19、偏置线11、偏置线12、偏置线13、偏置14、偏置线15，金属过孔17与接地板2电连接，金属过孔19与金属过孔8电连接；图3中金属过孔10和金属过孔19是同一类型过孔。

图4为独立电控式可编程数字超材料的偏置板背面结构示意图，为辅助说明，将数字编码板1周期单元位置用虚线标记，偏置线12与金属过孔19电连接，通过空过孔18穿透接地板2与金属过孔8相连，进而与二极管7正极相连，考虑到二极管7负极已通过金属过孔6与接地板2相连，因此可以通过偏置线12的电压高低可以控制二极管7的导通与关断，进而实现数字超材料的现场可编程控制。

对比图1至图4中介绍的现有技术方案，下面通过实施例对本发明装置进行说明。

图5为本发明中可编程数字超材料的有源偏置装置整体结构示意图，该有源偏置装置具体包括数字编码板20、接地板21、行扫描偏置板22和列扫描偏置板23，所述数字编码板为印刷有周期性金属编码图案的单层介质板，每个金属编码图案由一个梯形金属贴片24和一个倒梯形金属贴片25组成；所述梯形金属贴片与倒梯形金属贴片之间加载有电子器件；所述电子器件的一端连接梯形金属贴片24，另一端连接倒梯形金属贴片25；每个金属编码图案中的金属贴片中心位置开设有第一类过孔26、27。

所述接地板上开设有周期性第二类过孔28；所述行扫描偏置板为印刷有行扫描金属连线的单层介质板；所述列扫描偏置板为印刷有行列扫描金属连线的单层介质板；所述行扫描偏置板上开设有周期性第三类过孔29；所述列扫描偏置板上开设有周期性第四类过孔30；

所述第一类过孔26、27、第二类过孔28、第三类过孔29和第四类过孔30的周期相同且位置对应，第一类过孔、第三类过孔和第四类过孔均为金属过孔。

所述行扫描金属连线的一端与电子器件负极端连接的金属编码图案相连，另一端与外部偏置源相连；所述列扫描金属连线的一端与电子器件正极端连接的金属编码图案相连，另一端与外部偏置源相连；不同行、列扫描金属连线馈电独立设置。

本实施例中数字编码板20包含5×5个金属编码图案单元，电子器件采用二级管；实施例中的介质板可以采用现有技术中的常用电路板，如FR4、FR4b以及罗杰斯公司的RO4350等。每个金属编码图案和二级管共同构成一个编码单元。实施例中的外部偏置源需要提供10条线用来做扫描，其中用于连接行扫描金属连线的5条，用于连接列扫描金属连线5条，以确保不同行、列扫描金属连线馈电独立设置。

与上述传统单元独立电控式可编程数字超材料结构类似的是：数字编码板20和行扫描偏置板22、列扫描偏置板23分别位于接地板21的两侧，不同的是梯形金属贴片24、倒梯形金属贴片25、所述第一类过孔26、27与接地板21电绝缘。

图6为本发明装置中的接地板正面结构示意图，接地板21包含50个第二类过孔28，第二类过孔为空过孔，主要起过线作用。

图7为本发明装置中的行扫描偏置板正面结构示意图；行扫描偏置板22包含50个第三类过孔和5条行扫描偏置线，如第三类过孔29、行扫描偏置线31、行扫描偏置线32、行扫描偏置线33、行扫描偏置线34、行扫描偏置线35。

图8为本发明装置中的行扫描偏置板背面结构示意图，为辅助说明，将数字编码板20周期单元位置用虚线标记，行扫描偏置线31-35分别穿过第三类过孔、第二类过孔之后与对应位置的第一类过孔26相连，可以控制金属过孔26所在行的5个二极管的负极电压电平，其它行扫描偏置线连接方式类似。

图9为本发明装置中的列扫描偏置板正面结构示意图，列扫描偏置板23包含50个第四类过孔和5条列扫描偏置线，如金属过孔30、列扫描偏置线36、列扫描偏置线37、列扫描偏置线38、列扫描偏置线39以及列扫描偏置线40，金属过孔30与金属过孔29电连接。

图10为本发明装置中的列扫描偏置板背面结构示意图，为辅助说明，将数字编码板20周期单元位置用虚线标记，列扫描偏置线36-40分别穿过第四类过孔、第三类过孔、第二类过孔之后与对应位置的第一类过孔27相连，可以控制第一类过孔27所在列的五个二极管的正极电压电平，其它列扫描偏置线连接方式类似。

本发明还提供了一种可编程数字超材料的有源偏置方法，采用上述的可编程数字超材料的有源偏置装置，通过行、列扫描连线将外部偏置源脉冲传导作用到每个编码单元，改变脉冲的幅度、脉宽、重频以及时序控制编码单元的阻抗变化，进而动态调整有源偏置装置的编码状态，其中脉冲幅度直接决定编码单元导通效果，脉宽和重频共同决定编码单元发生导通的平均效果，时序决定编码单元发生导通的先后顺序。通过不同偏置线路的脉冲波形设计，可实现逐行扫描、逐列扫描或局部扫描。

下面通过具体实施例进行说明，基于本发明中扫描电控式可编程数字超材料的有源偏置装置设计，任意编码单元的二极管正极与某一列扫描偏置线相连，二极管负极与某一行扫描偏置线相连，得出：(1)当且仅当对应列扫描偏置线为高电平、对应行扫描偏置线为低电平时，二极管处于导通状态，其它状态时二极管均处于截止状态；(2)当某行扫描偏置线为高电平时，该行上的二极管均处于截止状态。

为方便描述，对可编程数字超材料的25个金属编码图案单元按行列进行标记，以数字编码板20正面为参考，自上而下依次为第一行、第二行、第三行、第四行、第五行，分别由行扫描偏置线31、行扫描偏置线32、行扫描偏置线33、行扫描偏置线34、行扫描偏置线35控制；自左至右依次为第一列、第二列、第三列、第四列、第五列，分别由列扫描偏置线40、列扫描偏置线39、列扫描偏置线38、列扫描偏置线37、列扫描偏置线36控制；当编码图案单元内二极管处于导通状态时，记单元数字编码为“1”，当编码图案单元内二极管处于截止状态时，记单元数字编码为“0”。下面结合图11-图14给出的行列扫描驱动脉冲波形介绍四种不同编码状态控制方法。

实施例1：

图11给出了包含两个扫描周期的10个驱动脉冲波形，驱动脉冲起始电平均为低电平(一般为0V)，脉冲41-脉冲45分别对应于行扫描偏置线31-行扫描偏置线35，脉冲46-脉冲50分别对应于列扫描偏置线40-列扫描偏置线36，实现可编程数字超材料的有源偏置装置编码状态输出结果如表1所示。

表1实施例1中编码状态输出表

每个扫描周期包含五个脉冲间隔，在第一个脉冲间隔内，列扫描脉冲中只有脉冲46为高电平(一般大于0.7V)，因此其它列二极管均处于截止状态，此时脉冲42、脉冲44为低电平，因此第一列上第二行、第四行位置处的二极管被选通，剩余二极管被关断，同理在第二个脉冲间隔内，第二列上第二行、第四行位置处的二极管被选通，剩余二极管被关断，剩余脉冲间隔内二极管状态依次类推。由于二极管的开启与关断均存在一定响应时间(从数纳秒到数百微秒不等)，因此只要保证扫描周期小于响应时间，就能够通过连续周期扫描的方式实现每个单元二级管的独立控制。

实施例2：

图12给出了包含两个扫描周期的10个驱动脉冲波形，脉冲51-脉冲55分别对应于行扫描偏置线31-行扫描偏置线35，脉冲56-脉冲60分别对应于列扫描偏置线40-列扫描偏置线36，实现可编程数字超材料的有源偏置装置编码状态输出结果如表2所示：

表2实施例2中编码状态输出表

在第一个脉冲间隔内，列扫描脉冲中只有脉冲56为高电平，因此其它列二极管均处于截止状态，此时脉冲51-脉冲55均为为高电平，因此第一列上所有二极管被被关断，同理在第二个脉冲间隔内，第二列上所有二极管被选通，剩余脉冲间隔内二极管状态依次类推。

实施例3：

图13给出了包含两个扫描周期的10个驱动脉冲波形，脉冲61-脉冲65分别对应于行扫描偏置线31-行扫描偏置线35，脉冲66-脉冲70分别对应于列扫描偏置线40-列扫描偏置线36，实现可编程数字超材料的有源偏置装置编码状态输出结果如表3所示。

表3实施例3中编码状态输出表

在第一个脉冲间隔内，列扫描脉冲中只有脉冲66为高电平，因此其它列二极管均处于截止状态，此时脉冲42、脉冲44为低电平，因此第一列上第二行、第四行位置处的二极管被选通，剩余二极管被关断，同理在第二个脉冲间隔内，第二列上第二行、第四行位置处的二极管被关断，剩余二极管被选通，剩余脉冲间隔内二极管状态依次类推。

实施例4：

图14给出了包含两个扫描周期的10个驱动脉冲波形，脉冲71-脉冲75分别对应于行扫描偏置线31-行扫描偏置线35，脉冲76-脉冲80分别对应于列扫描偏置线40-列扫描偏置线36，实现可编程数字超材料的有源偏置装置编码状态输出结果如表4所示。

表4实施例4中编码状态输出表

在第一个脉冲间隔内，列扫描脉冲中只有脉冲76为高电平，因此其它列二极管均处于截止状态，此时脉冲43、脉冲44为高电平，因此第一列上第三行、第四行位置处的二极管被关断，剩余二极管被选通，同理在第二个脉冲间隔内，第二列上第一行、第五行位置处的二极管被关断，剩余二极管被选通，剩余脉冲间隔内二极管状态依次类推。

需要指出的是：(1)上述驱动脉冲设计还可以采用行扫描的方式，即每个脉冲间隔内有且仅有一个行扫描驱动脉冲处于低电平，列扫描驱动脉冲根据编码状态设计，单元数字编码为“1”的设置为高电平，单元数字编码为“0”的设置为低电平；(2)上述驱动脉冲的电平、脉冲宽度及扫描周期可根据实际需求进行调整，例如在不影响二极管导通效果的前提下，适当的提高驱动电平、减少脉冲宽度、增加扫描频率可降低偏置控制部分的功耗；(3)上述行列扫描偏置设计方法同样适用于基于液晶或者半导体的可编程数字超材料的有源调控，例如对于液晶调控时，采用列扫描脉冲驱动时，每个脉冲间隔内有且仅有一个列扫描驱动脉冲处于高电平，其它扫描驱动脉冲应当处于高阻状态。

Claims (4)

1.一种可编程数字超材料的有源偏置装置，其特征在于：包括数字编码板、接地板、行扫描偏置板和列扫描偏置板，所述数字编码板为印刷有周期性金属编码图案的单层介质板，每个金属编码图案由一个梯形金属贴片和一个倒梯形金属贴片组成；所述梯形金属贴片与倒梯形金属贴片之间加载有电子器件；所述电子器件的一端连接梯形金属贴片，另一端连接倒梯形金属贴片；每个金属编码图案中的金属贴片中心位置开设有第一类过孔；

所述接地板上开设有周期性第二类过孔；所述行扫描偏置板为印刷有行扫描金属连线的单层介质板；所述列扫描偏置板为印刷有行列扫描金属连线的单层介质板；所述行扫描偏置板上开设有周期性第三类过孔；所述列扫描偏置板上开设有周期性第四类过孔；所述第一类过孔、第二类过孔、第三类过孔和第四类过孔的周期相同且位置对应；

所述行扫描金属连线的一端与电子器件负极端连接的金属编码图案相连，另一端与外部偏置源相连；所述列扫描金属连线的一端与电子器件正极端连接的金属编码图案相连，另一端与外部偏置源相连；不同行、列扫描金属连线馈电独立设置。

2.如权利要求1所述的一种可编程数字超材料的有源偏置装置，其特征在于：所述电子器件为二极管或变容管或晶体管。

3.如权利要求1所述的一种可编程数字超材料的有源偏置装置，其特征在于：将所述单层介质板均替换为多层介质板。

4.一种可编程数字超材料的有源偏置方法，采用如权利要求1至3任一项中所述的可编程数字超材料的有源偏置装置，通过行、列扫描连线将外部偏置源脉冲传导作用到每个金属编码图案构成的编码单元，改变脉冲的幅度、脉宽、重频以及时序控制编码单元的阻抗变化，进而动态调整有源偏置装置的编码状态，其中脉冲幅度直接决定编码单元导通效果，脉宽和重频共同决定编码单元发生导通的平均效果，时序决定编码单元发生导通的先后顺序。