CN109326888A - 一种一比特光控数字式超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一比特光控数字式超表面，包括数字式反射型人工电磁表面、与反射型人工电磁表面连接的硅光电池，数字式反射型人工电磁表面由阵列排布的数字单元组成，每个数字单元包括介质基板、位于介质基板下侧的金属地、设置在介质基板上侧的两个金属贴片和设置在两个金属贴片之间并连接二者的变容二极管，金属贴片上下两端均设置有第三电压偏置线。用数码“0”和“1”表示数字单元的两种相位状态，构成一比特数字式超表面。控制照射光的强度，可以远程调控一比特光控数字式超表面的辐射波束，以实现不同的功能。本发明具有设计简便、加工成本低、尺寸小、质量轻等优点，在高性能天线、减小雷达背向散射等方面都有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料领域，涉及一种一比特光控数字式超表面。
背景技术
新型人工电磁材料是由周期性或非周期性亚波长人工单元组成，具有许多自然界中不存在的电磁特性，如负折射、后向传播、完美成像、光学幻觉、隐形遮蔽等。在过去的几十年中，电磁超材料受到了广泛的关注和研究。三维超材料利用空间相位累积的设计方法来控制电磁波的波前，随着频率的增加，损耗大、成本高、制造难度大，在毫米波、太赫兹甚至更高频段的实际应用受到限制。近几年来已经提出了一类新型超薄超材料，称为超表面，可以改善三维超材料的这些不足。
不同于基于等效媒质理论的超材料，用数字比特位描述的数字超材料于2014年被提出，其核心设计思想是：类似于数字信号处理的方法，引入二进制数码来量化相位响应在0到2π之间的不同数字单元。N比特超表面需要2N个离散相位来表征超表面。例如，1比特超表面有2个离散的相位状态，对应于具有180°相位差的两个数码“0”和“1”。使用不同的空间或频率编码序列，可以很容易地实现所需的电磁波特性，如调控远场辐射、散射、极化状态和波矢模式等。通过在特定数字单元上加载二极管、电磁铁、微机电系统等可调设备，便可实现可重构数字超表面。当外加偏置电压改变时，对应数字单元的辐射的幅度和相位响应也发生改变，从而达到实时控制的效果。然而电控需要外部电源和一系列连接线，这会增加整个系统的复杂度，并可能导致不可预知的串扰。光可在空间自由传播而不需要连接线，因此，可以使用不同强度的光远程照射PIN硅光电池，来改变由PIN硅光电池提供的光伏电压。与现有的电控方法相比，光控的方法为调控电磁波提供了更多的便利。
发明内容
发明目的：本发明提供一种降低了系统的复杂度和串扰、设计简便、加工成本低、质量轻的一比特光控数字式超表面。
技术方案：本发明的一比特光控数字式超表面，包括数字式反射型人工电磁表面、与所述反射型人工电磁表面连接的硅光电池，所述数字式反射型人工电磁表面由阵列排布的数字单元组成，每个数字单元包括介质基板、位于所述介质基板下侧的金属地、设置在介质基板上侧的两个金属贴片和设置在所述两个金属贴片之间并连接二者的变容二极管，金属贴片上下两端均设置有第三电压偏置线，反射型人工电磁表面的阵列中，同一列的数字单元的金属贴片均通过第三电压偏置线串联在一起。反射型人工电磁表面的数字单元排布的阵列划分为多个尺寸相同的超级子单元，每个超级子单元均包括n×n个正方形排列的数字单元，其中n为超级子单元中数字单元的列数和行数。硅光电池的正极通过第一电压偏置线与需要偏置电压的超级子单元中数字单元的一个第三电压偏置线连接，负极通过第二电压偏置线与需要偏置电压的超级子单元中数字单元的另一个第三电压偏置线连接。
进一步的，本发明中，所述硅光电池设置在介质材料上，所述介质材料与数字式反射型人工电磁表面中数字单元的介质基板连为一体。
进一步的，本发明中，所述硅光电池为PIN硅光电池。
进一步的，本发明中，所述硅光电池为多个，且多个硅光电池串联在一起。
进一步的，本发明中，所述硅光电池为变容二极管提供偏置电压。
进一步的，本发明中，所述数字单元中的两个金属贴片对称设置，且尺寸相同。
进一步的，本发明中，所述金属贴片为长方形。
本发明的一种实施方式中，一比特光控数字式超表面由数字式反射型人工电磁超表面和PIN硅光电池串联阵列组成。其中，数字式反射型超表面由周期性排布的数字单元和两根电压偏置线组成，每个数字单元顶层贴片的缝隙中集成了一个变容二极管，超表面的左侧是一排PIN硅光电池串联阵列，数字式反射型人工电磁表面通过两根电压偏置线分别连接在PIN硅光电池串联阵列的正极和负极上，PIN硅光电池串联阵列为变容二极管提供的偏置电压可由照射光强调控。
进一步的，在工作频段内，控制光照强度，数字单元可呈现相位差约为180°的两种不同状态，用数码“0”和“1”表示。
进一步的，数字单元的背面是金属地，正面是两个对称的金属结构，缝隙中集成了的一个变容二极管，两层金属结构中间是基底。
进一步的，所述的一比特光控数字式超表面对数字单元进行整列控制，不同的光强照射时可实现不同的功能。光照强度EV＝0lx时，编码序列为“000000”，反射波为一个主波束；光照强度EV＝100lx时，编码序列为“010101”，反射波为两个主波束。
本发明由PIN硅光电池串联阵列，两根电压偏置线以及周期性排布的数字单元组成，每个数字单元中集成了一个变容二极管。当不同强度的光照射时，PIN硅光电池串联阵列提供不同的偏置电压，选取数字单元相位差约为180°的两种状态，分别用数码“0”和“1”表示，构成一比特数字式超表面。本发明解决了现有数字式超表面控制方式单一的不足，且与现有电控的方法相比，光控的方法降低了系统的复杂度和串扰、设计简便、加工成本低、尺寸小、质量轻，具有重要的应用前景。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
现有的电调控数字式超表面需要通过实际导线连接在控制电路模块，如：FPGA，单片机，的电压输出引脚上，且需要通过电脑并配合相应驱动程序来控制引脚电压的输出。控制电路麻烦，需要配合软件才能工作，技术要求高。由于电控数字式超表面和电压输出引脚间连接了实际导线，因此电控数字式超表面不宜被远程控制，不便移动，并且导线容易造成直流与射频信号间的串扰，会影响数字式超表面的实际性能。
本发明构建了一种光调控的数字式超表面，与现有电调控的数字式超表面相比，光调控数字式超表面可以被照射光远程控制，无需连接导线和FPGA控制电路，大大降低了系统的设计和实现复杂度，并且避免了连接导线带来的直流与射频信号间的串扰问题。
本发明的一比特光控数字式超表面具有宽带特性，数字单元间加载了变容二极管，它的容值可以随着外部光照强度的变化连续可调，可在较宽的频带范围内实现180°相位差。
本发明的一比特光控数字式超表面设计简便、加工成本低，数字单元的尺寸小，有良好的通用性，通过改变数字单元结构的尺寸便可设计在不同工作频点，易于推广应用。
附图说明
图1(a)为本发明实施例中一比特光控反射式数字超表面和光源的结构图，图1(b)为本发明实施例中由6×6个数字单元组成的一个超级子单元；
图2是本发明实施例中一比特光控数字式超表面用数码“0”或“1”表示的数字单元的结构示意图，数字单元缝隙中集成了一个变容二极管；
图3(a)是本发明实施例中PIN硅光电池产生的电压VR随光照强度EV的变化曲线；图3(b)是发明实施例中数字单元在变容二极管提供不同电容值CT时反射相位随频率变化的仿真曲线；
图4是本发明实施例中数字单元实现“0”状态和“1”状态时反射幅度和相位随频率变化的仿真曲线；
图5(a)是本发明实施例中一比特光控数字式超表面在4.02GHz，编码序列为“000000”时得到的反射波束仿真结果示意图，图5(b)是本发明实施例中一比特光控数字式超表面在4.02GHz，编码序列为“010101”时得到的反射波束仿真结果示意图；
图6(a)是本发明实施例中一比特光控数字式超表面的加工实物图，变容二极管型号为SMV1405-079LF，PIN硅光电池型号为BPW-34-S，图6(b)是50个白色LED阵列光源；
图7(a)为本发明实施例中一比特光控数字式超表面在4.02GHz、光照强度EV＝0lx，编码序列为“000000”时得到的反射波束的实验结果示意图，图7(b)为本发明实施例中一比特光控数字式超表面在4.02GHz、光照强度EV＝100lx，编码序列为“010101”时得到的反射波束的实验结果示意图。
图中有：数字式反射型人工电磁表面1，硅光电池2，数字单元3，介质基板31，金属地32，金属贴片33，变容二极管34，第三电压偏置线35，超级子单元4，第一电压偏置线5，第二电压偏置线6。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
本发明设计并制作了一种一比特光控数字式超表面，通过控制光源的开关可以实现两种编码序列。如图1(a)所示，本发明的一比特光控数字式超表面包括数字式反射型人工电磁表面1和PIN硅光电池2。光源部分是由50个白色发光二极管并联组成的，发光二极管固定在由50个PIN硅光电池2组成的可控直流电压源上方。通过控制照射在PIN硅光电池2上的光强，PIN硅光电池2产生的直流电压也随着改变。本实施例中，数字式超表面包括6×6个超级子单元4，每个超级子单元4由6×6个数字单元3组成，如图1(b)所示。图2是本发明中使用的一个数字单元3的结构示意图，数字单元3的背面是金属地32，正面是两个对称的金属贴片33，缝隙中集成了的一个变容二极管34。图3(a)是本发明中PIN硅光电池2产生的偏置电压VR随光照强度EV的变化曲线，变容二极管34的偏置电压VR由PIN硅光电池2提供，不同的电容值CT导致数字单元3产生不同的相位响应，如图3(b)所示，所以数字单元3的状态可由照射光强单独调控。选取相位差约为180°的两种状态，当CT＝2.67pF时，数字单元3为“0”状态，CT＝0.95pF时，数字单元3为“1”状态。为了降低成本、简化实验过程，我们用两种编码序列“000000”和“010101”来证明光控数字式超表面的可行性。将超表面的第二列、第四列、第六列超级子单元4与PIN硅光电池2相连，我们重新定义每一列超级子单元4为“0”和“1”状态。在编码序列为“000000”和“010101”时，我们可以得到两种不同的反射波束。
为了验证我们所设计的一比特光控数字式超表面，我们用CST软件进行了仿真。图4给出了所设计的有源数字单元3在“0”状态和“1”状态时反射系数(S11)的仿真幅度和相位，分别对于可变电容CT＝2.67pF(VR＝0V，EV＝0lx)和CT＝0.95pF(VR＝10V，EV＝100lx)。可以看出，当CT＝2.67pF和CT＝0.95pF时，设计的数字单元3在3.69～4.10GHz带宽范围内的相位差在160°～196°之间，在3.75GHz和4.02GHz处为180°。这里，变容二极管34的型号是SMV1405-079LF，基底的厚度为h＝3mm，介电常数是2.65，损耗角正切是0.001，对称的金属贴片33和金属地32是铜，厚度t＝0.018mm，数字单元3的周期为a＝12.0mm。其他优化的结构参数是：L1＝5.1mm，L2＝10.0mm，w＝1.2mm，d＝0.2mm。图5(a)和图5(b)分别给出了编码序列为“000000”和“010101”的两个数字超表面的反射波束仿真结果示意图。我们注意到，4.02GHz时，在“000000”的编码序列下，数字超表面的主反射波束指向z轴，如图5(a)所示。而在“010101”的编码序列下，主反射波束将在yoz平面上分裂成两个主波束，如图5(b)所示。
图6(a)是本发明实施例中一比特光控数字式超表面的加工实物图。所制作的一比特光控数字式超表面由36×36＝1296个编码单元，50个串联PIN硅光电池2和两条偏压线(线宽2.0mm)组成，总面积452×452mm2(工作频率4.02GHz时为6.06×6.06λ2)。每个数字单元3尺寸为12×12mm2(0.16×0.16λ2)，缝隙中都集成了一个SMV1405-079LF变容二极管34。样品加工使用标准印刷电路板(PCB)技术，基板为3.0mm厚的F4B，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。加工样品的其他所有参数均使用数值仿真部分优化的结构参数。使用的PIN硅光电池2型号为BPW-34-S。图6(b)是50个白色LED阵列光源，用来远程照射PIN硅光电池2。在实验中，我们采用工作带宽3.22～4.90GHz、增益为15dBi的喇叭天线作为发射天线，为一比特光控数字式超表面产生准平面波。测量结果显示，光照强度EV＝0lx时，编码序列为“000000”，垂直入射的平面波直接反射回来，如图7(a)所示。为了获得“010101”的编码序列，我们将白色的LED固定在PIN硅光电池2正上方20mm处，并逐渐增加LED的光强度，直到PIN硅光电池2产生的偏置电压达到10V。图7(b)给出了光照强度EV＝100lx的测量结果，反射波有两个主波束，出现在±30°附近。一比特反射式数字超表面的反射波束与仿真结果吻合良好，进一步验证了光控数字式超表面技术的可行性和正确性。
Claims (7)
1.一种一比特光控数字式超表面，其特征在于，该超表面包括数字式反射型人工电磁表面(1)、与所述反射型人工电磁表面(1)连接的硅光电池(2)，所述数字式反射型人工电磁表面(1)由阵列排布的数字单元(3)组成，每个数字单元(3)包括介质基板(31)、位于所述介质基板(31)下侧的金属地(32)、设置在介质基板(31)上侧的两个金属贴片(33)和设置在所述两个金属贴片(33)之间并连接二者的变容二极管(34)，金属贴片(33)上下两端均设置有第三电压偏置线(35)，反射型人工电磁表面(1)的阵列中，同一列的数字单元(3)的金属贴片(33)均通过第三电压偏置线(35)串联在一起；
反射型人工电磁表面(1)的数字单元(3)排布的阵列划分为多个尺寸相同的超级子单元(4)，每个超级子单元(4)均包括n×n个正方形排列的数字单元(3)，其中n为超级子单元(4)中数字单元(3)的列数和行数；
所述硅光电池(2)的正极通过第一电压偏置线(5)与需要偏置电压的超级子单元(4)中数字单元(3)的一个第三电压偏置线(35)连接，负极通过第二电压偏置线(6)与需要偏置电压的超级子单元(4)中数字单元(3)的另一个第三电压偏置线(35)连接。
2.根据权利要求1所述的一种一比特光控数字式超表面，其特征在于，所述硅光电池(2)设置在介质材料上，所述介质材料与数字式反射型人工电磁表面(1)中数字单元(3)的介质基板(31)连为一体。
3.根据权利要求1所述的一种一比特光控数字式超表面，其特征在于，所述硅光电池(2)为PIN硅光电池。
4.根据权利要求1所述的一种一比特光控数字式超表面，其特征在于，所述硅光电池(2)为多个，且多个硅光电池(2)串联在一起。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种一比特光控数字式超表面，其特征在于，所述硅光电池(2)为变容二极管(34)提供偏置电压。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种一比特光控数字式超表面，其特征在于，所述数字单元(3)中的两个金属贴片(33)对称设置，且尺寸相同。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种一比特光控数字式超表面，其特征在于，所述金属贴片(33)为长方形。
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