CN110034410A - 一种多功能的非线性超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能的非线性超表面，包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°，该超表面对垂直于表面入射的电磁波具有强度依赖性反常偏折功能和漫反射功能，且功能切换灵活，设计简便、加工成本低、质量轻，在电磁兼容、电磁能量防护、雷达隐身等领域具有很高的潜在应用价值。

Description

一种多功能的非线性超表面
技术领域
本发明属于新型人工电磁表面技术领域,具体涉及一种可应用于电磁兼容、电磁能量防护，雷达隐身的多功能的非线性数字超表面。
背景技术
新型人工电磁超材料通常由亚波长尺寸的精细单元呈周期性/非周期性排布而成，具有自然界普通媒质所不具备的特异电磁性能，如负折射、后向传播、完美成像、光学幻觉等，因而受到广泛关注。三维超材料的损耗较大、制备难度大、成本高，其实际应用受到很大限制。作为一种平面电磁超材料，超表面凭借极薄的厚度对入射波产生显著的相位突变，加之较小的损耗和制备难度，成为电磁波操控的重要手段之一，已实现了反常偏折波束、涡旋波束、漫反射、全息成像等功能。
随着电磁环境的日趋复杂，电磁辐射源不断增多，辐射强度不断增大，电磁波强度在空间上的起伏将引发一系列新的需求，如电磁兼容、电磁防护等。然而，常规的超表面属于线性超表面，由于缺乏空间入射波强度感应机制，其反射相位与入射波强度无关，因而无法对不同强度的电磁波进行区分操控。人们迫切希望获得一类非线性超表面，其反射相位根据入射波强度而改变，从而产生强度依赖性非线性电磁波操控效果。
在微波频段，非线性超材料在近二十年来发展迅速，具体应用包括非线性谐振调控、谐波产生、非线性极化旋转等。它们的非线性产生机制源于无源非线性器件(如变容二极管)与谐振单元中聚焦电磁场的直接相互作用，因此对电磁场强度的要求较高，且单元阵列的性能可重构能力不足，功能单一。而且，它们大多为三维结构，单元阵列的加工组装难度较大。具有二维结构的微波非线性超材料出现较晚，典型例子如非线性吸波超表面。但该超表面的局限性在于：第一，作用对象是电磁表面波，而非更普遍存在的空间波；第二，功能是电磁能量吸收，对电磁波损耗大，不具备电磁波操控功能；第三，不具备可重构功能，功能固化。因此，其应用场景受到一定限制。
发明内容
本发明正是针对现有问题，提供了一种多功能的非线性超表面，包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°，该超表面对垂直于表面入射的电磁波具有强度依赖性反常偏折功能和漫反射功能，且功能切换灵活，在电磁兼容、电磁能量防护、雷达隐身等领域具有很高的潜在应用价值。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多功能的非线性超表面，包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°。
作为本发明的一种改进，所述亚波长单元A和亚波长单元B具有相同的结构，包括自上而下依次叠加放置的：顶层金属层、介质层、中间金属层、介质层、电磁波功率检波电路层，所述顶层金属层由两个金属贴片和连接两个金属贴片的变容二极管构成，还包括连接顶层金属层和底层金属的两个竖直金属通孔，所述金属通孔不与中间金属层接触。
作为本发明的另一种改进，所述亚波长单元A和亚波长单元B各自顶层金属层内的两个金属贴片，大小不一，所述亚波长单元A顶层金属层内的大贴片与亚波长单元B顶层金属层内的大贴片尺寸不相同。
作为本发明的另一种改进，所述变容二极管的放置方向为x方向，通过改变变容二极管的偏置电压调控所在单元对x极化电磁波的反射相位。
作为本发明的又一种改进，每个单元中电磁波功率检波电路层内的电路由射频检波集成电路芯片及其外围电路元件构成，所述电磁波功率检波电路根据x极化电磁波的强度，输出直流电压信号，为所在单元顶层金属层内的变容二极管提供偏置电压，使得该单元对x极化波的反射相位根据波强度而变化。
作为本发明的又一种改进，亚波长单元A和亚波长单元B的总数为16×16个，沿y方向平均分为8组，每组单元电磁波功率检波电路中的使能输入端口连接在一起，并与可编程逻辑门阵列FPGA开发板的一个I/O端口连接。
作为本发明的更进一步改进，根据可编程逻辑门阵列FPGA开发板上I/O端口输出的数字比特信号分别激活或关闭各组单元电路，x极化电磁波强度越高，被激活单元组与被关闭单元组对x极化波的反射相位差越大。
与现有技术相比，本发明的有益效果和技术优势：
1.在指定频率下，本发明中超表面对x极化电磁波可实现非线性强度依赖性反常偏折功能，其中，“偏折波/反射波能量比”随x极化波强度增大而增大，偏折波束角度可由数字信号调控；对y极化电磁波可实现漫反射功能，该功能不随电磁波强度或数字信号变化。
2.本发明的超表面是首例针对空间波的多功能非线性超表面，潜在应用领域包括电磁兼容、电磁能量防护、雷达隐身等，实际运用性强。
3.本发明可利用成熟的PCB加工工艺和芯片表贴技术制备，具有加工难度小、成本低廉等优点。
4.目前普通超表面缺乏空间入射波强度感应机制，其反射相位与入射波强度无关，属于线性表面，不具备依赖入射波强度变化的波束操控能力，光学频段的非线性超表面还停留在仿真阶段，微波频段的非线性超表面仅针对电磁表面波的能量吸收，且功能单一，不具备灵活可调节能力，应用场景受限，而本发明对空间电磁波可实现包括强度依赖性反常波束偏折功能和漫反射在内的多种功能，功能切换方式灵活，使用范围更加广泛。
附图说明
图1为本发明一种多功能的非线性超表面的正面结构示意图；
图2为本发明中反射型非线性电磁表面上一个单元的结构顶视图和侧视图(单元A和单元B的结构都是如此)；
图3为本发明实施例1中单元A和单元B的排布规律示意图；
图4(a)为本发明实施例1中单元A和单元B对x极化电磁波的反射幅度和相位随变容二极管偏置电压变化仿真结果图；
图4(b)为本发明实施例1中射频功率检波电路的输出直流电压随5.2GHz x极化电磁波功率变化测试结果图；
图4(c)为本发明实施例1中两种单元反射幅度和相位随单元表面上x极化电磁波功率密度的变化结果；
图4(d)为本发明实施例1两种单元对y极化电磁波的反射幅度和相位仿真结果图；
图5为本发明超表面在不同数字信号控制下，随x极化电磁波强度变化的反常偏折功能仿真结果图。其中，
图(a)(b)(c)(d)为数字信号序列为00110011的结果图；
图(e)(f)(g)(h)为数字信号序列为01010101的结果图；
图6为本发明实施例中超表面在各种数字信号序列控制下，随5.2GHz x极化电磁波强度变化的反常波束偏折功能，为yz面上的远场方向图测试结果图，其中，
图(a)为入射波功率密度为39dBm/m2，序列为“00000000”或“11111111”；
图(b)为入射波功率密度为39dBm/m2，数字信号序列为“00110011”；
图(c)为入射波功率密度为39dBm/m2，数字信号序列为“01010101”；
图(d)为入射波功率密度为37dBm/m2，数字信号序列为“01010101”；
图(e)为入射波功率密度为34dBm/m2，数字信号序列为“01010101”；
图(f)为入射波功率密度为27dBm/m2，数字信号序列为“01010101”；
图7为本发明实施例中超表面对5.2GHz y极化电磁波的漫反射功能,其中，
图(a)为超表面的漫反射远场仿真方向图；
图(b)为同尺寸金属板的反射远场仿真方向图；
图(c)为超表面与金属板在yz面上的远场方向图仿真结果对比图；
图(d)为超表面与金属板在yz面上的远场方向图测试结果对比图；
图8是本发明实施例中动态可调的多功能非线性超表面的加工实物图；
其中：1.反射型非线性电磁表面、2.可编程逻辑门阵列FPGA开发板、3.亚波长单元A、4.亚波长单元B、31.顶层较小的金属贴片、32.顶层较大的金属贴片、33.变容二极管、34.介质层、35.中间金属层、36.介质层、37.与顶层较大金属贴片连接的金属通孔、38.与顶层较小金属贴片连接的金属通孔、5.底层电磁波功率检波电路、51.射频功率检波芯片。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
一种多功能的非线性超表面，如图1所示，包括反射型非线性电磁表面1和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板2，所述反射型非线性电磁表面包含两种亚波长单元：亚波长单元A 3和亚波长单元B 4，二者的基本结构相同，如图2所示，包括自上而下依次叠加放置的：顶层金属贴片31和32、连接顶层两个贴片的变容二极管33、介质层34、中间金属层35、介质层36、底层电磁波功率检波电路5、以及连接顶层和底层金属的两个竖直金属通孔37、38。所述金属通孔37、38不与中间金属层35接触。亚波长单元A 3和亚波长单元B 4各自顶层金属层内的两个金属贴片31、32大小不一，所述亚波长单元A顶层金属层内的大贴片32与亚波长单元B顶层金属层内的大贴片32的尺寸Lx和Ly不相同。
单元顶层的变容二极管33的放置方向为x方向，因此所在单元对x极化电磁波的反射相位随变容二极管33的偏置电压变化。得益于两个单元的顶层金属贴片32的尺寸Lx和Ly的选择，二者对x极化电磁波的反射相位基本相同，如图4(a)所示。从图4(a)中可见，在5.08GHz到5.23GHz频率范围内，当偏置电压从1V变化到6V时，单元的反射相位变化范围达到165°以上。应理解该频率范围取决于单元结构参数，仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的结构参数的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
每个单元底层均拥有独立、完整的电磁波功率检波电路5。该电路由射频检波集成电路芯片51及其外围电路元件构成，其功能是根据x极化电磁波的强度输出对应的直流电压信号，用于为所在单元顶层变容二极管33提供偏置电压，从而达到调控所在单元反射相位的目的。电路性能测试结果如图4(b)所示，为电路输出直流电压随5.2GHz x极化电磁波功率变化测试结果图，结果显示，当发射功率从11dBm增大到36dBm时，电路输出直流电压从0.6V增大到6.1V。
本实施例中亚波长单元A 3和亚波长单元B 4对x极化电磁波的响应相同，其随x极化电磁波强度变化的反射性能显示在图4(c)中。从图中可见，反射相位随电磁波功率密度的增大而单调递减，在5.2GHz，当功率密度从26dB/m2增大到40dB/m2过程中，反射相位从56°减小至-125°。
图如3所示，单元A 3和单元B 4按规律排布成所述反射型非线性电磁表面1。该表面上所有单元沿y方向被分为8组阵列，每组包含16行×2个单元，如图1所示。同一组单元底层电路的使能端口连接在一起，并与FPGA开发板2的一个I/O端口连接，由同一个数字比特信号控制。对应8组单元阵列，共有8个I/O端口被使用。当I/O端口输出数字比特信号“1”时，所对应的整组单元电路被激活，这些单元(无论单元A还是单元B)对x极化电磁波呈现随电磁波强度增加而递减的反射相位，为x极化非线性单元；当I/O端口输出数字比特信号“0”时，所对应的整组单元电路被关闭，这些单元对x极化电磁波的反射相位为常数67°，为x极化线性单元。
所述电磁表面上非线性/线性单元按特定规律排布时，对垂直于表面入射的x极化电磁波呈现反常偏折功能，即，部分或全部能量不再按原路反射，而是沿着某偏折角度反射。所述反常偏折波束与正常反射波束所携带x极化电磁波能量的比例(即，偏折波/反射波能量比)决定于非线性/线性单元的反射相位差。当相位差达到180°时，偏折波束最大，正常反射波束最小，此时“偏折/反射能量比”最大；当相位差为0°时，偏折波束最小，正常反射波束最大，此时“偏折/反射能量比”最小。所述反常偏折波束的偏折角度决定于非线性/线性单元的排布规律。本发明中，可利用所述FPGA开发板输出的数字控制信号实时改变所述电磁表面上非线性/线性单元的分布规律，从而灵活调控对x极化电磁波的反常偏折角度。
为了降低成本、简化实验过程，我们用两种数字控制序列(序列1“00110011”和序列2“01010101”)来证明本发明中超表面对x极化电磁波的强度依赖性反常偏折功能。
数字序列1为“00110011”，图5(a)(b)(c)(d)显示了x极化电磁波功率密度从39dBm/m2减小到27dBm/m2过程中仿真得到的归一化的三维远场散射方向图。从图中可见，当功率密度最大时，绝大部分入射波能量发生反常偏折，“偏折波/反射波能量比”最大，形成yz面上两束对称的偏折波束，波束俯仰角度由公式θ＝arcsin(λ/Γy)计算得到为21°，其中λ为波长，Γy为线性/非线性单元在y方向上的排布周期，由数字信号序列所决定；而正常的、沿原路返回的反射波太小而可以忽略。随着功率密度的减小，偏折波束逐渐缩小，而正常反射波束逐渐增大；当功率密度等于27dBm/m2后，偏折波束减到最小，几乎所有能量被正常反射，此时“偏折波/反射波能量比”最小。
数字序列2为“01010101”，图5(e)(f)(g)(h)显示了电磁波功率密度从39dBm/m2减小到27dBm/m2过程中仿真得到的归一化的三维远场散射方向图。同序列1类似，反常偏折波束随功率密度减小而逐渐缩小，而正常反射波束逐渐增大，“偏折波/反射波能量比”减小。不同的是，由于数字序列改变了y方向上线性/非线性单元排布周期，使得波束俯仰角度相应变化为46°。
实施例2
为了验证本发明中多功能的非线性超表面对x极化电磁波的数字化非线性反常偏折操控功能，本实施例加工了超表面实物，如图8所示，并开展测试。
单元的结构参数为：D＝20mm,tx＝1.5mm,ty＝8mm，Sx＝0.8mm,Sy＝3mm,w＝0.4mm,py＝4mm；对于单元A，Lx＝12.6mm，Ly＝16.3mm；对于单元B，Lx＝Ly＝13mm；介质层33、35的介电常数均为2.65，损耗角正切均为0.001。介质层34的厚度为1.5mm，介质层36的厚度为0.15mm；电路5的元件参数为：R1＝68kΩ,R2＝22kΩ,R3＝82kΩ,R4＝10kΩ,C1＝0.1μF,C2＝100pF,C4＝39pF。变容二极管33的型号为SMV1405-079LF，电磁波功率检波电路芯片51的型号为LTC5530，FPGA芯片信号是EP4CE10F17C8。在实验中，我们采用工作带宽4-6GHz、增益为15dBi的喇叭天线作为x极化电磁波发射天线，为本发明中超表面产生准平面波；采用宽带脊喇叭天线作为接收天线，接收经本发明中超表面散射后的电磁波。
以下以四个数字信号序列为例，给出yz面的归一化的散射方向图测试结果。
图6(a)显示了超表面在数字序列“全0”、“全1”控制下的测试结果：“全0”序列对应所有单元为线性单元，“全1”序列对应所有单元为非线性单元，在这两种情况下，无论入射波强度如何，超表面的反射相位都是均匀的，因此大部分电磁波能量被原路发射，如图6(a)所示。
图6(b)和(c)显示了电磁波功率密度为最大值39dBm/m2时，超表面在数字序列1“00110011”和数字序列2“01010101”控制下的测试结果：可见，两个数字序列各产生了两个反常偏折波束，偏折俯仰角分别约为20°和47°，与图5(a)和(e)所示的仿真结果基本吻合。
图6(c)(d)(e)(f)显示了超表面在序列2“01010101”控制下时，功率密度从39dBm/m2降低到27dBm/m2过程中的测试结果。从图中可见，当功率密度最大时，绝大部分入射波能量发生反常偏折，“偏折波/反射波能量比”最大；随着功率密度的减小，偏折波束逐渐缩小，而正常反射波束逐渐增大；当功率密度等于27dBm/m2后，偏折波束减到最小，几乎所有能量被正常反射，此时“偏折波/反射波能量比”最小。该结果与仿真结果图5(a)(b)(c)(d)几乎一致，反映了超表面随x极化波强度变化的非线性散射特性。
实施例3
本实施例中单元A 3和单元B 4在对y极化电磁波产生的反射相位不随电磁波强度变化，在5.2GHz附近两者的反射相位相差180°，如图4(d)所示。得益于如图2所示的单元分布，本发明中超表面对5.2GHz y极化电磁波显示出漫反射特性，远场方向图仿真结果显示在图7(a)中。作为对比，图7(b)为同尺寸金属板对5.2GHz y极化电磁波的反射波远场方向仿真结果图。从图7(c)所示的yz面远场方向图仿真结果对比来看，本发明中超表面在θ＝0°方向的反射降低了12dB以上。
为了进一步验证本发明中超表面对y极化电磁波的漫反射功能，本实施例对所加工的超表面样品进行了测试。采用与实施例2中相同的系统，将发射喇叭天线和接收喇叭天线沿z轴旋转90°，即得到y极化电磁波。图7(d)为本发明中超表面与金属板在yz面上的远场方向图测试结果对比图，图中可以看出5.2GHz频率下的测试结果，本发明中超表面在θ＝0°方向的反射降低了约11dB，与仿真结果基本吻合。值得注意的是，该结果属于线性漫反射功能，不随入射电磁波功率的改变，也不随FPGA数字控制信号的改变。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种多功能的非线性超表面，其特征在于：包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°。
2.根据权利要求1所述的一种多功能的非线性超表面，其特征在于：所述亚波长单元A和亚波长单元B具有相同的结构，包括自上而下依次叠加放置的：顶层金属层、介质层、中间金属层、介质层、电磁波功率检波电路层，所述顶层金属层由两个金属贴片和连接两个金属贴片的变容二极管构成，还包括连接顶层金属层和底层金属的两个竖直金属通孔，所述金属通孔不与中间金属层接触。
3.根据权利要求2所述的一种多功能的非线性超表面，其特征在于：所述亚波长单元A和亚波长单元B各自顶层金属层内的两个金属贴片，大小不一，所述亚波长单元A顶层金属层内的大贴片与亚波长单元B顶层金属层内的大贴片尺寸不相同。
4.根据权利要求2所述的一种多功能的非线性超表面，其特征在于：所述变容二极管的放置方向为x方向，通过改变变容二极管的偏置电压调控所在单元对x极化电磁波的反射相位。
5.根据权利要求2所述的一种多功能的非线性超表面，其特征在于：每个单元中电磁波功率检波电路层内的电路由射频检波集成电路芯片及其外围电路元件构成，所述电磁波功率检波电路根据x极化电磁波的强度，输出直流电压信号，为所在单元顶层金属层内的变容二极管提供偏置电压，使得该单元对x极化波的反射相位根据波强度而变化。
6.根据权利要求1所述的一种多功能的非线性超表面，其特征在于：亚波长单元A和亚波长单元B的总数为16×16个，沿y方向平均分为8组，每组单元电磁波功率检波电路中的使能输入端口连接在一起，并与可编程逻辑门阵列FPGA开发板的一个I/O端口连接。
7.根据权利要求6所述的一种多功能的非线性超表面，其特征在于：根据可编程逻辑门阵列FPGA开发板上I/O端口输出的数字比特信号分别激活或关闭各组单元电路，x极化电磁波强度越高，被激活单元组与被关闭单元组对x极化波的反射相位差越大。
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