CN110364819A - 一种对入射角不敏感的2比特可编程数字超表面 - Google Patents

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    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

Abstract

本发明公开了一种对入射角不敏感的2比特可编程数字超表面,由2比特单元在二维空间周期排布而成，每个2比特单元集成了两个开关二极管，通过改变二极管的状态组合，可以获得四种反射相位响应，即0，90，180和270度，分别对应数字编码的“00”，“01”，“10”和“11”。2比特单元在不同编码下的相位响应都不会随着入射角的变化发生剧烈地变化，在60度角斜入射时，四种编码之间的相位差仍能保持在90度左右。本发明中提出的对入射角不敏感的2比特可编程数字超表面可以实现在大角度斜入射下工作的稳定性，提供优异的斜入射波束偏折能力，在无线通信、雷达、成像、信号处理等领域都有重要的应用前景。

Description

一种对入射角不敏感的2比特可编程数字超表面
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种对入射角不敏感的2比特可编码数字超表面。
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，为了减少三维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，实现了较低的损耗，加工简单，便于集成。
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/超表面的概念，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度和180度的相位响应)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度、90度、180度和270度的相位响应)。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，在单元上加载可调器件(如开关二极管、变容二极管、MEMS开关、光导材料等)，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.)
以上提到的可编程超表面一般都是工作在垂直入射的电磁波照射下；而在斜入射情况下的反射特性，尤其是反射相位会入射角的增大而不稳定，导致编码之间的相位差偏离原先设计，最后造成可编程超表面在斜入射波照射下性能的恶化，这也说明了现有可编程超表面只有在垂直入射条件下才能有较好的调控电磁波
发明内容
发明目的：本发明目的在于解决现有的可编程超表面在斜入射情况下的反射特性，尤其是反射相位会入射角的增大而不稳定，导致编码之间的相位差偏离原先设计，最后造成可编程超表面在斜入射波照射下性能的恶化的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种对入射角不敏感的2比特可编码数字超表面，由可编程单元在二维空间周期排布而成，每个可编程单元集成了两个开关二极管，控制电路为每个开关二极管提供两种不同的偏置电压，使其导通或者关断，通过改变两个开关二极管的开关状态，使得可编程单元对入射电磁波的反射相位分别呈现0度、90度、180度和270度四种不同电磁响应。
两个二极管具有“开关”、“开开”、“关开”和“关关”四种工作状态，故可以对应对四种呈现的反射相位。
进一步地，可编程单元包括印刷在介质基板正面的不规则六边形金属贴片、两条直流馈电金属条带以及连接直流馈电金属条带和六边形金属贴片的两个开关二极管，介质基板背面全部覆铜作为反射地板，六边形金属贴片和反射地板具有共同的金属过孔。
进一步地，两个开关二极管分别设置于不规则六边形金属贴片的两条相对但长度不等的边上，两个开关二极管相对设置，不规则六边形金属贴片沿两个开关二极管相连的直线轴对称。
进一步地，反射地板与控制电路地线相连，两条直流馈电金属条带分别连接到控制电路两个独立的偏置电压接口。
进一步地，直流馈电金属条带的长度等于可编程单元在二维空间周期排布的总长，周期排布形成超表面后，同一列相邻可编程单元的直流馈电金属条带首尾相连，形成逐列可控的可编程超表面。。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明中的对入射角不敏感的2比特可编码数字超表面不仅能在电磁波垂直入射下的实现波束偏折，还能在电磁波大角度斜入射情形下实现高精度的波束偏折，在实用中将更加灵活方便。
2、本发明加工方便，易于实现。微波段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，控制电路可以采用现场可编程门阵列(FPGA)、单片机或CPLD等。
3、本发明中对入射角不敏感的2比特可编码数字超表面在实际中有广泛的应用，增强了可编程超表面在斜入射情况下工作的稳定性，可以用于无线通信系统、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。
附图说明
图1是对入射角不敏感的2比特可编程数字超表面单元的整体结构示意图；
图2是对入射角不敏感的2比特可编程数字超表面单元的具体尺寸标注图；
图3是垂直入射情形下可编程单元在四种编码状态下的电场分布示意图；
图4是0度垂直入射情形下可编程超表面单元的反射幅度和相位随频率变化的曲线示意图；
图5是30度斜入射情形下可编程超表面单元的反射幅度和相位随频率变化的曲线示意图；
图6是60度斜入射情形下可编程超表面单元的反射幅度和相位随频率变化的曲线示意图；
图7是在9.5GHz电磁波垂直照射下，超表面按照“32103210……”进行空间编码时的反射波束方向图；
图8是在9.5GHz电磁波30度斜入射下，超表面按照“32103210……”进行空间编码时的反射波束方向图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行具体阐述。
本发明中，对入射角不敏感的2比特可编程数字超表面由可编程单元在二维空间内周期排布构成，每个单元结构集成了两个开关二极管。在四种不同的开关状态下，单元结构对电磁波呈现0度、90度、180度和270度四种不同反射相位，分别标记为“0”“1”“2”和“3”。每个可编程单元由控制电路提供的两个独立的偏置电压来控制，并且可以根据具体的应用场景随时切换。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1是对入射角不敏感的可编程单元的结构示意图。其中1是不规则六边形金属贴片。2是两条提供偏置电压的直流馈电金属条带；4是连接六边形金属贴片中心和反射地板的金属过孔，一般为和反射地板相同材质的金属过孔，本申请中为铜过孔；3是两个开关二极管，分别连接两个直流馈电金属条带和六边形金属贴片；5是介质基板，6是覆盖整个介质基板背部的金属反射地板，本申请中为铜板作为反射地板。不规则六边形金属贴片1通过金属过孔4与反射地板6相连，并一起连接到控制电路的地线。两条直流馈电金属条带2分别连接到控制电路的不同电压输出端，不同的输出电压可以分别控制两个二极管3的开关状态，从而进一步控制规则六边形金属贴片1与两个直流馈电金属条带2之间的电流流动。两个开关二极管四种开关组合使得可编程单元拥有四种不同的电流分布，从而产生四种不同的反射相位。
图2是对入射角不敏感的2比特可编程数字表面单元的具体尺寸示意图。两个开关二极管分别设置于不规则六边形金属贴片1的两条相对但长度不等的边上，两个开关二极管3相对设置，不规则六边形金属贴片1沿两个开关二极管3相连的直线轴对称。具体尺寸标注见图2，六边形金属贴片1的左右边长分别为8mm和6mm，斜边的边长分别为4.65mm和6.13mm，正中心位置有一个金属过孔4将该六边形金属贴片1与金属反射地板6相连。整个单元的周期长度为14mm。两条宽度为0.6mm的直流馈电金属条带2放置在六边形金属贴片1左右各0.7mm处，直流馈电金属条带2的中间突出一块0.4mm×0.3mm大小的金属贴片作为开关二极管3的焊盘，便于加工焊接。介质基板5的材质选用F4B介质基板，厚度为1.5mm。需要说明的是直流馈电金属条带2的长度等于可编程单元的周期长度，即当单元的周期长度为14mm时，直流馈电金属条带2的长度也为14mm，周期排布形成超表面后，同一列相邻可编程单元的直流馈电金属条带2首尾相连，形成逐列可控的可编程超表面。这样的设计适用于逐列可控的可编程超表面设计，若要实现逐点可控的可编程超表面，只需将直流馈电条带2缩短并打孔引到单元背部馈电即可。
图3是在9.5GHz电磁波波垂直入射情况下2比特可编程单元在四种编码下的电场分布示意图。“关-关”，“开-关”，“关-开”和“开-开”四种二极管开关3状态分别对应“0”“1”“2”和“3”四种相位编码。通过电场分布情况可以看出，这四种开关状态组合使得可编程单元对入射波电场产生不同的谐振强度，因此可以实现不同的反射相位。
图4到图6分别是电磁波在0度，30度和60度入射角情形下可编程超表面单元的反射幅度和相位随频率变化的曲线。0度垂直入射时，“0”“1”“2”“3”四种编码的相邻两种编码在9.5GHz处都保持着接近90度的相位差，反射幅度均在0.78以上；在30度斜入射时，“0”“3”之间仍然保持着大约270°的相位差，但是“2”“3”之间的相位差略大于90度，“0”“1”之间和“1”“2”之间的相位差略小于90度；在60度斜入射时，“2”“3”之间相位差也略大于90度，“0”“1”之间和“1”“2”之间的相位差也略小于90度。但是在斜入射情形下，四种反射相位差仍然能够保持在90度左右，反射幅度也比较稳定。
图7是在9.5GHz电磁波垂直照射下，超表面按照“32103210……”进行空间编码时的反射波束方向图，电磁波垂直入射的时候，反射波束的主波束出现在34°处。而34°斜入射时，反射波束的主波束出现在了0°附近，如图8所示。这说明可编程超表面在34°斜入射时，仍然保持着与0度垂直入射时相同的相位梯度，也说明了本发明中的2比特可编程数字超表面对入射角的不敏感性和在斜入射下工作的稳定性。

Claims (5)

1.一种对入射角不敏感的2比特可编码数字超表面，其特征在于，由可编程单元在二维空间周期排布而成，每个可编程单元集成了两个开关二极管(3)，控制电路为每个开关二极管(3)提供两种不同的偏置电压，使其导通或者关断，通过改变两个开关二极管(3)的开关状态，使得可编程单元对入射电磁波的反射相位分别呈现0度、90度、180度和270度四种不同电磁响应。
2.根据权利要求1所述的对入射角不敏感的2比特可编码数字超表面，其特征在于，可编程单元包括印刷在介质基板(5)正面的不规则六边形金属贴片(1)、两条直流馈电金属条带(2)以及连接直流馈电金属条带和六边形金属贴片的两个开关二极管(3)，介质基板背面全部覆铜作为反射地板(6)，六边形金属贴片和反射地板之间具有连通的金属过孔(4)。
3.根据权利要求1所述的对入射角不敏感的2比特可编码数字超表面，其特征在于，两个开关二极管(3)分别设置于不规则六边形金属贴片(1)的两条相对但长度不等的边上，两个开关二极管(3)相对设置，不规则六边形金属贴片(1)沿两个开关二极管(3)相连的直线轴对称。
4.根据权利要求2所述的对入射角不敏感的2比特可编码数字超表面，其特征在于，反射地板(6)与控制电路地线相连，两条直流馈电金属条带(2)分别连接到控制电路两个独立的偏置电压接口。
5.根据权利要求2所述的对入射角不敏感的2比特可编码数字超表面，其特征在于，直流馈电金属条带(2)的长度等于可编程单元的周期长度，周期排布形成超表面后，同一列相邻可编程单元的直流馈电金属条带(2)首尾相连，形成逐列可控的可编程超表面。
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