CN110444896B - 基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统，由时空编码超表面和数字控制电路组成，超表面由时变的可编程单元在空间上周期排布，每个单元集成了若干个可调器件，在数字控制电路的驱动下呈现多比特的相位周期调制。特殊设计的时间和空间相位梯度实现了对入射电磁波高效的频率转换和异常反射，打破了时间反演对称性，在空间域和频率域都实现了非互易效应。另外，通过数字控制电路输出不同的时空编码矩阵，该系统可在互易和非互易传输之间切换，也可实时地调节非互易反射的角度及谐波频率，实现动态的可编程系统，在空间频率转换、多普勒欺骗、定向传输、射频隐身、保密通信、隔离器、双工器、混频器等领域有潜在应用。

Description

基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统
技术领域
本发明属于新型人工电磁表面领域，具体涉及一种基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统。
背景技术
新型人工电磁表面，亦称超表面(Metasurface)，是从三维的超材料(Metamaterials)发展而来。超材料和超表面和传统意义材料的区别在于用亚 波长尺寸的单元代替了原来材料中的原子或分子结构，可以模拟一些自然界中不 存在的物理现象。超表面在三维超材料的基础上压缩了纵向的尺寸，相比于波长 可忽略不计，具有二维超薄的结构特性，损耗较小，加工便利，易于集成。
超材料和超表面已经发展了二十年，一直是国内外学者关注的学术热点。基 于等效媒质理论的传统超材料和传统的超表面设计方法，很难实时地与电磁波相 互作用，功能也有限。在2014年，东南大学崔铁军教授课题组首次提出了数字 编码和可编程超材料和超表面的概念，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时 调控。1比特编码超材料是两个相反相位的数字单元“0”和“1”按照一定的编 码序列构成；2比特编码超材料是由0度，90度，180度，270度四种相位的数 字单元“00”、“01”、“10”和“11”构成，更高比特依次类推。超材料进行 编码化之后简化了设计和优化流程，可以通过设计编码序列来实现对电磁波的调控。更重要的是，在单元上加载若干个可调器件，结合FPGA等数字控制电路可 以实时地动态切换可编程超材料的功能，也更加方便的从信息学科和信号处理的 角度来理解和研究超材料。(参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J. Zhao,Q.Cheng,Codingmetamaterials,digital metamaterials and programmable metamaterials.Light-Science&Applications 3,e218 (2014).)。在之前空间编码超表面的基础上，崔铁军教授课题组于2018年又提 出了时空编码超表面的概念，引入时间维度上周期变化的编码，结合空间编码组 成时空编码矩阵，在空间域和频率域同时调控电磁波，可实现谐波波束扫描，波 束塑形，多比特相位综合，散射能量缩减等功能。(参考文献[2]：L.Zhang et al.,Space-time-coding digital metasurfaces.Nature communications 9, 4334(2018).)
另一方面，基于空间梯度相位的超表面受限于洛伦兹互易性，在时间反演体 系下是个互易的过程。然而在工程领域，打破互易性引起了广泛的关注，例如通 信、雷达系统，能量收集和热辐射等领域通常需要非互易器件。在微波段实现非 互易的一种方法就是使用铁氧体等磁性材料，但是一般来说这些非互易器件体积 大，成本高，难于系统集成也不便于扩展到光频段。因此促生了一些非磁性的方 法，例如非互易材料，但是它们通常依赖于功率，需要非常高的信号强度才有效 果。时变材料的设计可以用于实现时间反演非互易，具有小的尺寸，低成本和高 集成度等特性。这里将结合时空编码超表面的空间和时间调制特性和编码的优势， 用于打破时间反演对称和互易性。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现在非互易器件和频率转换器的体积大、 成本大、难于集成、不便于拓展到光波段等问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统，该系统主要 由时空编码超表面和数字控制电路组成，时空编码超表面同时具有空间梯度编码 相位和时间梯度编码相位，空间梯度编码控制入射波的反射角度，时间梯度编码 将特定频率的入射电磁波高效地转换到相应谐波上，实现频率转换。数字控制电 路是由FPGA构成的电压驱动电路，通过导线与时空编码超表面上的数据端口进 行连接。
进一步地，时空编码超表面由时变的可编程单元在空间上周期排布构成，每 个可编程单元集成了若干个可调器件，数字控制电路实时改变可调器件的状态， 从而使可编程单元按照多比特的相位进行时间周期性调制。
进一步地，数字控制电路输出不同的时空编码矩阵，使得系统在互易与非互 易之间实时切换，实时的调节非互易反射的角度及谐波频率，从而实现动态的可 编程系统。
进一步地，所述可编程单元为反射相位动态可调的反射式可编程单元，引入 时空调制，实现对反射波的非互易传输和频率转换。
进一步地，所述可编程单元为透射相位动态可调的透射式可编程单元，引入 时空调制，实现对透射波的非互易传输和频率转换。
本发明的基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统在实际 中有很大的应用潜力，仅通过数字控制电路控制编码超表面的时空调制特性就可 以实现动态可编程的非互易传输和频率传输，未来将在无线通信、雷达系统，多 普勒欺骗、空间频率转换、定向传输、射频隐身、保密通信、隔离器、双工器、 混频器等领域有潜在应用。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.本发明中基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统，可以通过设计相应的时空编码矩阵来实现对空间电磁波的非互易传输及频率转换， 方法灵活简单，便于实验加工，利于实际应用。
2.本发明中时空编码超表面的设计可以实现动态的可编程调控，数字控制电路可以实时地输出不同的时空编码矩阵，使得该系统可以在互易与非互易传输 态之间实时切换，也可实时地调节非互易反射的角度及谐波频率，具有很大 的自由度。
3.本发明中的时空编码超表面的设计，简单高效，便于加工，体积轻薄，价格 低廉，设计思想可以用于反射式和反射式的超表面，也可用于设计不同频段 的超表面，拓展至对声波、毫米波、太赫兹波乃至光波的非互易控制和高效 的频率转换。
附图说明
图1是基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统的原理示意图；
图2是该非互易系统用于隔离发射和接收通道的原理示意图；
图3是用于该系统的时空编码超表面结构示意图；
图4是用于实现非互易反射和+1阶谐波频率转换的一种时空编码矩阵排布；
图5是图4中的时空编码矩阵在不同谐波处对应的等效幅度和相位分布；
图6是图4中时间编码梯度周期调制下的频谱分布；
图7是频率为fc的电磁波从端口1斜入射，超表面在图4中时空编码矩阵的调制下的谐波散射方向图；
图8是对应时间反演情形下的谐波散射方向图；
图9是用于实现非互易反射和+2阶谐波频率转换的一种时空编码矩阵排布；
图10是该时空编码矩阵在不同谐波处对应的等效幅度和相位分布；
图11是频率为fc的电磁波从端口1斜入射，超表面在图9中时空编码矩阵的调制下的谐波散射方向图；
图12是对应时间反演情形下的谐波散射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。
本发明中，一种基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统， 由时变的可编程单元在空间上周期排布构成，每个单元结构集成了若干个可调器 件，数字控制电路是由FPGA构成的电压驱动电路，通过导线与超表面上的数据 端口进行连接，从而使可编程单元按照多比特的相位进行时间周期性调制。进一 步在时空编码超表面中引入时间和空间的梯度编码相位的调制，特殊设计的空间 梯度编码可以控制入射波的反射角度/透射角度，时间梯度编码可以将特定频率 的入射电磁波高效地转换到相应谐波上，实现频率转换。在这种时空调制下，打 破了时间反射对称性，可以实现非互易反射效应。
图1是基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统的原理示 意图，包括前向反射和时间反演-后向反射两个过程。时空编码超表面由可编程 单元周期排布构成，每个单元都是由数字控制电路提供的电压来控制，这里数 字控制电路是基于现场可编程门阵列FPGA(型号ALTERA Cyclone IV)的开发板。 在设计好的时空编码矩阵的调制下，频率为f1的电磁波从端口1位置斜入射到时 空编码超表面上将被反射到端口2的方向上，频率变成f2(见图1中上图)；时间 反演情形下，频率为f2的电磁波从端口2位置沿同样的方向照射回去，反射方向 将偏离最初端口1的位置，并且频率变成f3，实现了非互易传输和频率转换过程 (见图1中下图)。图1展示了非互易反射和频率转换的过程，另外FPGA数字控制电路可以实时地输出不同的时空编码矩阵，使得系统可以在互易与非互易之间 实时切换，也可以实时的调节非互易反射的角度及谐波频率，从而实现动态的 可编程系统。
可编程单元也可以设计为透射相位动态可调的透射式可编程单元，引入时 空调制，实现对透射波的非互易传输和频率转换。
图2是该非互易系统用于隔离发射和接收通道的原理示意图，给出了一个基 于时空编码超表面的非互易隔离系统，发射电磁波为载波，FPGA可提供基带信号， 在时空编码的调制下，可以在空间上实现混频，并且非互易的特性实现了发射和 接受通道的隔离。简单来说，这一块时空编码超表面和控制电路的结合就实现了 混频器和双工器的功能，未来可用于无线通信和雷达系统，也可用于射频隐身， 使外来探测电磁波无法获得发射端的准确位置和频率。
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
以反射为例，图3是用于该系统的时空编码超表面结构示意图，该超表面是 由16×8个2比特反射式可编程单元构成，每一列8个单元共享一路相同的控制电 压。每个单元包含2个二极管，不同的开关组合构成单元的2比特反射相位，即0 度，90度，180度，270度，分别标记为数字“0”，“1”，“2”和“3”。对于 图3给出的实施例，可编程单元的周期长度为入射波工作波长的一半。
实施例2
图4是用于实现非互易反射和+1阶谐波频率转换的一种时空编码矩阵排布， 空间上16个单元的编码序列呈现从右到左的梯度变化，时间上采用长度为4的编 码序列，也呈现梯度递增的变换。图5是该时空编码矩阵在不同谐波处对应的等 效幅度和相位分布，可以通过时域周期信号的傅里叶级数的系数得出。可以看出 在图4这种时间梯度编码的调制下，超表面将入射电磁波的能量主要转换到+1阶 谐波频率上，幅度超过了0.9，并且在+1阶谐波出有一个梯度的等效相位分布， 可用于控制+1阶谐波的发射方向。图6是图4中时间编码梯度周期调制下的频谱分 布，可以看出+1阶谐波频率转换效率也很高，另外，可以看出若2比特可编程单 元的反射相位不是标准的相位差，也能够实现很好的频率转换效果。
图7给出了频率为fc的电磁波从端口1斜入射，超表面在图4中时空编码矩阵 的调制下的谐波散射方向图。这里入射波频率为fc＝5GHz,时间调制周期采用 f0＝250MHz,可以看出频率为fc的电磁波从60度斜入射到超表面上，大部分能 量主要转化到频率为fc+f0的反射波束，并且由于存在的空间相位梯度，fc+f0波束的最大能量指向-20.3度。相应地，图8给出对应时间反演情形下的谐波散射 方向图，可以看出频率为fc+f0的电磁波从-20.3度斜入射到超表面上，大部分 能量主要转化到频率为fc+2f0的反射波束，但是fc+2f0波束的最大能量指向 为51.2度，与最初的60度入射波束方向相差8.8度，实现了空间的隔离。并且时间反演-后向反射情形下不包含频率为fc的波束，实现了频率的隔离。总之，得 益于时空梯度编码的调制，在空间域和频率域都实现了非互易的反射，并且将入 射电磁波频率高效地转换为+1阶谐波频率。
实施例3
图9是用于实现非互易反射和+2阶谐波频率转换的一种时空编码矩阵排布， 空间上16个单元的编码序列呈现从右到左的梯度变化，时间上采用长度为10的编 码序列，也呈现一定的非线性梯度递增。该编码是基于算法优化得到，目的在于 将入射波频率高效地转换为+2阶谐波频率。图10是该时空编码矩阵在不同谐波处 对应的等效幅度和相位分布，可以通过时域周期信号的傅里叶级数的系数得出。 可以看出在图9这种时间梯度编码的调制下，超表面将入射电磁波的能量主要转 换到+2阶谐波频率上，幅度为0.84左右，并且在+2阶谐波出有一个梯度的等效相 位分布，可用于控制+2阶谐波的发射方向。
图11给出了频率为fc的电磁波从端口1斜入射，超表面在图9中时空编码矩阵 的调制下的谐波散射方向图。这里入射波频率为fc＝5GHz,时间调制周期采用 f0＝100MHz,可以看出频率为fc的电磁波从60度斜入射到超表面上，大部分能 量主要转化到频率为fc+2f0的反射波束，并且由于存在的空间相位梯度，fc+ 2f0波束的最大能量指向-26.5度。相应地，图12给出对应时间反演情形下的谐波 散射方向图，可以看出频率为fc+2f0的电磁波从-26.5度斜入射到超表面上， 大部分能量主要转化到频率为fc+4f0的反射波束，但是fc+4f0波束的最大能 量指向为52.5度，与最初的60度入射波束方向相差7.5度，也实现了空间的隔离。 并且时间反演-后向反射情形下不包含频率为fc的波束，实现了频率的隔离。总 之，在图9优化的时空梯度编码调制下，在空间域和频率域都实现了非互易的反 射，并且实现了对入射电磁波基波频率到+2阶谐波频率高效地转换。
从实施例2和3可以知道，两种不同的时空编码矩阵能够实现不同的非互易反 射方向和频率转换。因此通过FPGA数字控制电路实时地输出不同的时空编码矩阵， 该系统可以在互易与非互易之间实时切换，也可以实时的调节非互易反射的角度 及谐波频率，从而实现动态的可编程系统。需要说明的是，实施例1中的时空编 码超表面是基于反射式可编程单元。另外设计透射式可编程单元，其透射相位动 态可调，引入时空调制后，在实施例2和实施例3的基础上也可以实现对透射波的 非互易传输和频率转换。

Claims (4)

1.一种基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统，其特征在于，该系统主要由时空编码超表面和数字控制电路组成，时空编码超表面同时具有空间梯度编码相位和时间梯度编码相位，空间梯度编码相位控制入射波的反射角度或透射角度，时间梯度编码相位将特定频率的入射电磁波高效地转换到相应谐波上，实现频率转换，数字控制电路是由FPGA构成的电压驱动电路，通过导线与时空编码超表面上的数据端口进行连接；时空编码超表面由时变的可编程单元在空间上周期排布构成，每个可编程单元集成了若干个可调器件，数字控制电路实时改变可调器件的状态，从而使可编程单元按照多比特的相位进行时间周期性调制。
2.根据权利要求1所述的基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统，其特征在于，数字控制电路输出不同的时空编码矩阵，使得系统在互易与非互易之间实时切换，实时的调节非互易反射的角度及谐波频率，从而实现动态的可编程系统。
3.根据权利要求1所述的基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统，其特征在于，可编程单元为反射相位动态可调的反射式可编程单元，引入时空调制，实现对反射波的非互易传输和频率转换。
4.根据权利要求1所述的基于时空编码超表面的可编程非互易传输及频率转换系统，其特征在于，可编程单元为透射相位动态可调的透射式可编程单元，引入时空调制，实现对透射波的非互易传输和频率转换。
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