CN110444899A - 一种非互易功能可定制的非线性超表面 - Google Patents

一种非互易功能可定制的非线性超表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非互易功能可定制的非线性超表面，包括：电可调透射电磁表面、两个空间电磁波强度感应模块和一个数字控制模块；两个空间电磁波强度感应模块分别用于监视正向和反向入射电磁波的强度，两个空间电磁波强度感应模块与数字控制模块的输入端连接；数字控制模块输出直流电压控制信号，数字控制模块输出端与电可调透射电磁表面的第一金属层连接。本发明的非线性超表面可在较宽的工作频带内实现灵活可调的非互易透射性能，且避免了常见的非线性滞后现象，从而显示出更加稳定可靠的电磁响应，可应用于电磁波功率保护、单向空间限幅、微波脉冲隔离等场景。

Description

一种非互易功能可定制的非线性超表面
技术领域
本发明涉及新型人工电磁表面技术领域，尤其是一种非互易功能可定制的非线性超表面。
背景技术
作为一种二维电磁超材料，超表面在近十几年来获得广泛关注，已在反常波束偏折、涡旋波束产生、漫反射、电磁霍尔效应、全息成像、非线性电磁调控等领域得到应用。一般情况下，透射型超表面都服从洛伦兹互易性，即无论电磁波是正向还是反向穿过超表面，其经历的透射系数都是相同的。但在某些应用场景下，用户需要打破这种互易性，以获得不同的正向和反向透射系数，因此具有非互易特性的超表面成为一个重要的研究方向。
传统的非互易技术需要使用铁磁材料结合静磁场的系统，且缺点是体积大、重量轻、损耗大，不适合与超表面结合。近年来，研究者们提出了许多适合超表面集成的无磁非互易技术，例如时间调制技术、单向器件(如放大器、三极管等)加载技术等，这些属于线性方法。除此之外，基于非线性的非互易技术也是重要的研究内容。目前，绝大多数基于非线性的非互易超表面都基于Fano谐振原理，依赖于电磁波与超表面非对称结构的谐振作用。然而，这些非线性非互易超表面具有以下不足之处。首先，它们的非互易性能固定且单一，难以实时、灵活调控；其次，由于Fano谐振的频响非常尖锐，因此这类超表面的工作带宽一般都很窄；第三，这些超表面的非线性电磁响应往往呈现滞后特性，也就是说，超表面在固定电磁波强度入射条件下的性能受到强度的历史值影响，这将带来性能的双稳态不确定性。
另一方面，具有可调谐性能的非互易器件在近几年开始出现。从已见发表的文献来看，有以下几类技术：第一，通过调节液晶的折射率；第二，对入射信号本身进行调制或改变信号波长；第三，使用辅助泵浦脉冲。然而，具有可调谐性能的非线性非互易超表面还未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种非互易功能可定制的非线性超表面，工作频带较宽，且避免了常见的非线性滞后现象，从而显示出更加稳定可靠的电磁响应，可应用于电磁波功率保护、单向空间限幅、微波脉冲隔离等场景。
为解决上述技术问题，本发明提供一种非互易功能可定制的非线性超表面，包括：电可调透射电磁表面、两个空间电磁波强度感应模块和一个数字控制模块；两个空间电磁波强度感应模块分别用于监视正向和反向入射电磁波的强度，两个空间电磁波强度感应模块与数字控制模块的输入端连接；数字控制模块输出直流电压控制信号，数字控制模块输出端与电可调透射电磁表面的第一金属层连接。
优选的，电可调透射电磁表面由一种亚波长单元呈周期排列而成，亚波长单元包括自上而下依次叠加放置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层、第四金属层。
优选的，第一金属层包含位于单元中间的正方形贴片和它外围的方形环贴片，以及两个金属贴片之间的变容二极管，变容二极管阳极与方形环贴片连接，阴极与正方形贴片连接，方向为x方向；第二金属层包含一条贴片导线，方向为y方向；第三和第四金属层分别为尺寸不相同的正方形贴片，每个单元包含一个金属盲孔，将第一金属层中心和第二金属层上导线连接在一起。
优选的，第一金属层上，所有单元的方形环贴片连成了整体；第二金属层上所有的贴片导线连成了整体，并通过盲孔与第一金属层上所有单元的正方形贴片连成了整体，表面上所有的变容二极管呈并联连接，可调节变容二极管两端的反偏电压来调控电磁表面的透射系数。
优选的，两个空间电磁波强度感应模块分别用于监视正向和反向入射的电磁波强度，分别输出携带各自方向电磁波强度信息的直流电压信号，每个空间电磁波强度感应模块包含一个定向天线和整流电路。
优选的，监视正向入射的电磁波强度的空间电磁波强度感应模块的定向天线包含位于第一金属层的一个矩形贴片、半波振子、一段传输线以及位于第二金属层的反射地；模块的整流电路在天线后端，位于第一金属层，由射频检波芯片及其外围电路构成，用于接收到来自天线的电磁能量，根据电磁强度输出相应的直流电压信号。
优选的，监视反向入射的电磁波强度的空间电磁波强度感应模块的定向天线包含位于第四金属层的一个矩形贴片、半波振子、一段传输线以及位于第三金属层的反射地；模块的整流电路在天线后端，位于第四金属层，由射频检波芯片及其外围电路构成，用于监视反向空间电磁波强度。
优选的，一个数字控制模块包括FPGA开发板和安装在其扩展口上的两个AD/DA模块，将电磁感应模块输出的直流信号输入AD子模块，得到携带电磁波强度信息的数字信号，并将数字信号馈入FPGA开发板，FPGA开发板内预加载了需要实现的非互易程序，FPGA开发板根据电磁波的方向及其强度以及需要实现的非互易功能，输出数字控制信号，DA子模块将数字控制信号转换为直流电压控制信号，将此控制信号加到第一金属层所有单元的方形环贴片整体与第二金属层贴片导线之间(即所有并联变容二极管两端)，即可控制透射电磁表面的透射系数，最终实现所需的非互易性能。
本发明的有益效果为：(1)本发明中的超表面可实现包括空间电磁二极管功能、空间电磁波单向限幅功能在内的多种可定制非互易透射功能，且可以实时调换非互易方向、灵活设置超表面对电磁波强度的响应阈值，功能切换方式灵活，使用范围更加广泛；(2)本发明中的超表面工作频带较宽，相对带宽达到3.5％以上，且非互易响应没有非线性滞后现象，与现有的非线性非互易超表面相比，性能更加稳定可靠；(3)本发明的超表面是首例基于有源电路和“模-数-模”控制模块的非线性非互易超表面，潜在应用领域包括电磁波功率保护、单向空间限幅、微波脉冲隔离等，实际运用性强；(4)本发明可利用成熟的PCB加工工艺和芯片表贴技术制备，采用了成熟的商用数字模块，具有加工难度小、成本低廉等优点。
附图说明
图1为本发明超表面的结构示意图。
图2(a)为本发明实施例中电可调透射电磁表面上一个单元的三维结构示意图。
图2(b)为本发明实施例中电可调透射电磁表面的透射系数随二极管反偏电压变化的测试结果示意图。
图3(a)为本发明实施例中空间电磁波强度感应模块的结构示意图。
图3(b)为本发明实施例中空间电磁波强度感应模块的两个定向天线的三维结构示意图。
图3(c)为本发明实施例中空间电磁波强度感应模块的加工实物照片。
图3(d)为本发明实施例中空间电磁波强度感应模块在5.75GHz正、反向不同强度电磁波照射下的直流输出结果示意图。
图4为本发明实施例中数字控制模块的工作流程示意图。
图5(a)为本发明实施例中非互易功能可定制的非线性超表面的加工实物图。
图5(b)为本发明实施例中非互易功能可定制的非线性超表面的加工实物图。
图5(c)为本发明实施例中非互易功能可定制的非线性超表面的加工实物图。
图6为本发明实施例的功能1、3中，数字控制模块的直流输出电压与正、反向空间电磁波感应模块的直流输出电压的映射关系示意图。
图7(a)为本发明功能1(正向电磁二极管功能)测试结果示意图。
图7(b)为本发明功能2(反向电磁二极管功能)测试结果示意图。
图7(c)为本发明功能3(正向电磁波限幅功能)测试结果示意图。
图7(d)为本发明功能4、5(非互易功能阈值的灵活调节功能)测试结果示意图。
其中，1、电可调透射电磁表面；2、电可调透射电磁表面的单元；21、第一介质；22、第二介质；23、第三介质；24、第一金属层中间正方形贴片；25、第一金属层方形环贴片；26、变容二极管；27、第二金属层贴片导线；28、第三金属层方形贴片；29、第四金属层方形贴片；211、金属盲孔；3、正向空间电磁波强度感应模块；31、正向定向天线；311、正向矩形贴片；312、正向半波振子；313、正向贴片传输线；314、正向天线反射地；32、正向整流电路；321、正向整流芯片；4、反向空间电磁波强度感应模块；411、反向矩形贴片；412、反向半波振子；413、反向贴片传输线；414、反向天线反射地；5、数字控制模块。
具体实施方式
一种非互易功能可定制的非线性超表面，其顶视图如图1所示，包括电可调透射电磁表面1以及与之连接的两个空间电磁波强度感应模块3、4和一个数字控制模块5。该非线性超表面首次以“模-数-模”为非互易响应机理，使正向和反向电磁波穿过表面时经历不同的透射系数。通过在数字模块内预置相应的程序，可实现空间电磁二极管功能、空间电磁波单向限幅功能等多种非互易功能，功能切换方便，且可以实时翻转非互易方向、灵活设置超表面对电磁波强度的非线性响应阈值。与目前已有的非线性非互易超表面相比，该超表面的工作频带较宽，且避免了常见的非线性滞后现象，从而显示出更加稳定可靠的电磁响应。
所述电可调透射电磁表面由一种亚波长单元2呈周期排列而成。如图2(a)所示，显示了该单元结构的三维空间示意图，包括自上而下依次叠加放置的：第一金属层、第一介质层21、第二金属层、第二介质层22、第三金属层、第三介质层23、第四金属层。所述第一金属层包含位于单元中间的正方形贴片24和它外围的方形环贴片25，以及两个金属贴片之间的变容二极管26，变容二极管方向为x方向；第二金属层包含一条贴片导线27，方向为y方向；第三和第四金属层分别为尺寸不相同的正方形贴片28和29。每个单元包含一个连接第一金属层中心和第二金属层上导线的金属盲孔211。
本实施例加工了电可调透射电磁表面实物，包括29×29个单元，并采用电聚焦天线系统开展了透射性能测试。所述单元的结构参数为：p＝8mm，g＝0.4mm，L1＝5.7mm，L3＝4mm，L4＝4.5mm，h1＝h3＝1mm，h2＝0.2mm。介质层21、22以及23的介电常数均为2.65，损耗角正切均为0.001。本例中变容二极管的选型为Skyworks的SMV1232。所述电可调透射电磁表面对x极化电磁波的透射系数受到变容二极管26的电容调控。由于变容二极管的电容由其两端的反偏电压决定，因此可通过调节第一金属层方形环贴片25与第二金属层贴片导线27之间的电压来调控电磁表面的透射系数，测试结果如图2(b)所示。可见，当反偏电压从0V变化到10V时，表面的透射系数逐渐增大。在5.75GHz，透射系数从-16.9dB增大到-0.7dB，变化范围达16.2dB。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。
本发明中超表面包含两个空间电磁波强度感应模块，分别用于监视正向和反向的电磁波强度。在图1中显示了正向模块3的顶视图，反向模块4位于结构背面，两个模块的结构完全相同。正向模块的顶视图如图3(a)所示，正向模块包含一个正向定向天线31和整流电路32。正向天线31和反向天线的三维图如图3(b)所示，正向定向天线包含位于第一金属层的一个矩形贴片311、半波振子312以及一段传输线313以及位于第二金属层的反射地314；模块的整流电路32在天线后端，位于第一金属层，由射频检波芯片321及其外围电路构成，用于接收到来自天线的电磁能量，根据电磁强度输出相应的直流电压信号。反向电磁波感应模块的构成与正向模块完全相同，区别在于：矩形贴片411、半波振子412、传输线413以及电路位于第四金属层，天线反射地414位于第三金属层。
本实施例加工了空间电磁波强度感应模块，整流芯片321为Linear Technology公司的LTC5530，照片显示在图3(c)。电路参数为R1＝82kΩ,R2＝10kΩ,C1＝0.1μF,C2＝100pF,C3＝39pF,Vcc＝5V,and Vena＝3V。当没有任何电磁波照射时，前向模块和后向模块分别输出电压0.63V和0.62V。在点聚焦天线系统中测试了其性能，电磁波频率为5.75GHz的结果显示在图3(d)。可见，当正向入射电磁波功率从14dBm增大到31dBm时，正向模块输出电压从0.8V增大到4.7V，此时反向模块的输出保持低于0.75V；当反向入射电磁波功率从14dBm增大到31dBm时，反向模块输出电压从0.85V增大到4.95V，此时正向模块的输出保持低于0.7V。在5.6GHz、5.65GHz、5.7GHz、5.8GHz电磁波的照射下，模块的输出电压最大值略低于5.75GHz的结果，均能够保证在4V以上。
在本实施例中，数字控制模块由现场可编程逻辑门阵列(FPGA)开发板和安装在其扩展口上的两个模数/数模(AD/DA)模块构成。每个AD/DA模块内包含一个数模AD子模块和一个模数DA子模块，FPGA内预加载了需要实现的非互易程序。数字控制模块的工作流程如图4所示。将两个电磁波强度感应模块输出的直流信号输入到两个AD子模块，得到两个携带电磁波强度信息的数字信号，并将数字信号馈入FPGA。FPGA根据电磁波的方向及其强度以及需要实现的非互易性能，输出数字控制信号。DA子模块将数字控制信号转换为直流电压控制信号。将此控制信号加到第一金属层上所有单元的方形环贴片与第二金属层贴片导线之间，即可控制电磁表面的透射系数，最终实现所需的非互易性能。
在本实施例中，FPGA开发板选用芯驿电子公司的AX515开发板，FPGA芯片为Cyclone IV E(EP4CE15F23C8)。AD/DA模块选用芯驿电子公司的高速AD/DA模块。其中，AD子模块基于Analog Devices公司的AD9280芯片。当AD子模块接收到的直流电压信号从-5V变化到+5V时，输出0到255范围内的数字信号。由于本实施例中的电磁波强度感应模块的典型输出是0.85V至4.95V，因此AD子模块输出的数字信号范围是从150到254，精度为0.0392V/比特。DA子模块基于Analog Devices公司的AD9708芯片。当DA子模块接收到0到255之间的数字信号时，输出+5到-5V的直流电压信号，精度同样为0.0392V/比特。将DA子模块的输出端连接到可调电磁表面的第一金属层上所有单元的方形环贴片，即所有变容二极管的阳极；将一个常数电压+5V加到电磁表面第二金属层导线上，即所有变容二极管负极。因此，变容二极管的反偏电压在数字控制模块的控制下在0V到10V之间变化，因而使电磁表面的透射系数随入射电磁波的方向和强度获得非互易调控。
为了验证本发明中的非互易功能可定制的非线性超表面性能，本实施例加工了超表面实物，如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示，并在点聚焦天线系统中开展测试。通过在FPGA中预加载Verilog程序，将以下五个非互易功能集成其中，以证明本发明中超表面的可定制非互易性能，通过按压FPGA开发板上的五个按键，可实时切换至相应的功能。
功能1：正向电磁二极管功能
本功能由FPGA开发板的按键1激活。此时，超表面将抑制反向入射电磁波的透射，表现为最小的透射系数，而对正向电磁波所表现出的透射系数随电磁波强度的增大而增大，类似于电路二极管的单向导通功能。在程序中，设置对正向感应模块直流输出的判定阈值为1V，对反向感应模块直流输出的判定阈值为0.75V，分别对应5.75GHz的17dBm正向电磁波和14dBm反向电磁波。只要正向模块输出低于1V时，数字控制模块输出+5V，此时电磁表面的透射系数最小；如果正向模块输出电压大于1V而反向模块输出电压小于0.75V，数字控制模块的输出随正向电压输出的增大而减小，范围是+5V到-5V；当正向和反向模块输出都高于阈值时，数字控制模块输出+5V。数字控制模块的电压输出与正、反向感应模块输出电压的映射关系显示在图6中。图7(a)给出了5.6GHz到5.8GHz的测试结果。在5.75GHz，超表面对反向入射波的传输系数低于-17dB；对于强度低于12dBm的正向入射波，传输系数仍旧低于-17dBm，直到强度高于12dBm，传输系数开始逐渐增大；当强度为31dBm时，传输系数最高，达到-0.6dB。各个频点的结果有些许差异，这是电磁波强度感应模块和电磁表面在不同频点的性能差异所致。
从上述结果来看，本发明超表面在5.6GHz至5.8GHz的频带范围内都表现出了非互易性能，相对带宽达到3.5％以上。而且，在入射波强度变化过程中，超表面的性能没有出现非线性滞后现象，即传输系数与强度历史值无关，表现出了稳定可靠的性能。
功能2：反向电磁二极管功能
本功能由FPGA开发板的按键2激活。超表面将抑制正向入射电磁波的透射，表现为最小的透射系数，而对反向电磁波所表现出的透射系数随电磁波强度的增大而增大。对功能1的程序做少量修改，将对正向和反向电磁波强度感应模块的输出阈值判断互换，即可实现本功能。测试结果显示在图7(b)中。从结果来看，功能2和功能1的数据曲线基本呈镜像对称。略有差异的结果出现在5.7GHz，这可以归因于正反电磁波强度感应模块在该频点上性能的微小不同，由加工误差所致。功能1与功能2验证了本发明中超表面非互易方向的快速翻转能力，且不需要对入射波进行任何调制，也无需改变入射波波长或依赖辅助信号。
功能3：正向电磁波限幅功能
本功能由FPGA开发板的按键3激活。此时，超表面对反向入射电磁波呈现最大的透射系数；对于正向电磁波，所表现出的透射系数随电磁波强度的增大而减小。在程序中，设置对正向感应模块直流输出的判定阈值为1V。只要正向模块输出低于1V时，数字控制模块输出-5V，此时电磁表面的透射系数最大；如果正向模块输出电压大于1V，数字控制模块的输出随正向电压输出的增大而增大，范围是-5V到+5V，使电磁表面的透射系数随之减小。数字控制模块的电压输出与正、反向感应模块输出电压的映射关系显示在图6中。图7(c)给出了5.6GHz到5.8GHz的测试结果。在5.75GHz，超表面对反向入射波的传输系数接近0dB，表现出最佳的透射性能；对于强度低于20dBm的正向入射波，传输系数仍旧非常高，直到强度高于20dBm，传输系数迅速下降；当强度高于31dBm时，传输系数低于-17dB。由超表面的非互易方向翻转能力可以推论得出，该限幅功能同样能够作用于反向入射波。
功能4、5：非互易功能阈值的灵活调节功能
这两个功能用于验证本发明中超表面的非线性响应阈值的灵活设置能力，由FPGA开发板的按键4和按键reset激活。在FPGA的程序中，设置功能4中对正向感应模块直流输出的判定阈值为1.5V，设置功能5中对正向感应模块直流输出的判定阈值为2.5V。当正向感应模块的输出低于阈值时，数字控制模块输出-5V；当正向感应模块的输出高于阈值时，数字控制模块输出从-5V变化到+5V，将超表面透射性能从最佳状态迅速切换到最低水平。对5.75GHz正向电磁波的测试结果显示在图7(d)中(图中省略了对反向电磁波的透射结果)。可见，对于功能4，透射系数的突变发生在入射波强度约为19dBm时，而功能5的透射系数突变发生在强度为25dBm，充分证明了对强度阈值的灵活设置能力。从该结果可推论，上述功能1、2、3的电磁波感应阈值均能够根据实际需要灵活设置。

Claims (8)

1.一种非互易功能可定制的非线性超表面，其特征在于，包括：电可调透射电磁表面、两个空间电磁波强度感应模块和一个数字控制模块；两个空间电磁波强度感应模块分别用于监视正向和反向入射电磁波的强度，两个空间电磁波强度感应模块与数字控制模块的输入端连接；数字控制模块输出直流电压控制信号，数字控制模块输出端与电可调透射电磁表面的第一金属层连接。
2.如权利要求1所述的非互易功能可定制的非线性超表面，其特征在于，电可调透射电磁表面由一种亚波长单元呈周期排列而成，亚波长单元包括自上而下依次叠加放置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层、第四金属层。
3.如权利要求2所述的非互易功能可定制的非线性超表面，其特征在于，第一金属层包含位于单元中间的正方形贴片和它外围的方形环贴片，以及两个金属贴片之间的变容二极管，变容二极管阳极与方形环贴片连接，阴极与正方形贴片连接，方向为x方向；第二金属层包含一条贴片导线，方向为y方向；第三和第四金属层分别为尺寸不相同的正方形贴片，每个单元包含一个金属盲孔，将第一金属层中心和第二金属层上导线连接在一起。
4.如权利要求3所述的非互易功能可定制的非线性超表面，其特征在于，第一金属层上，所有单元的方形环贴片连成了整体；第二金属层上的所有的贴片导线连成了整体，并通过盲孔与第一金属层上所有单元的正方形贴片连成了整体，表面上所有的变容二极管呈并联连接，可调节变容二极管两端的反偏电压来调控电磁表面的透射系数。
5.如权利要求1所述的非互易功能可定制的非线性超表面，其特征在于，两个空间电磁波强度感应模块分别用于监视正向和反向入射的电磁波强度，分别输出携带各自方向电磁波强度信息的直流电压信号，每个空间电磁波强度感应模块包含一个定向天线和整流电路。
6.如权利要求5所述的非互易功能可定制的非线性超表面，其特征在于，监视正向入射的电磁波强度的空间电磁波强度感应模块的定向天线包含位于第一金属层的一个矩形贴片、半波振子、一段传输线以及位于第二金属层的反射地；模块的整流电路在天线后端，位于第一金属层，由射频检波芯片及其外围电路构成，用于接收到来自天线的电磁能量，根据电磁强度输出相应的直流电压信号。
7.如权利要求5所述的非互易功能可定制的非线性超表面，其特征在于，监视反向入射的电磁波强度的空间电磁波强度感应模块的定向天线包含位于第四金属层的一个矩形贴片、半波振子、一段传输线以及位于第三金属层的反射地；模块的整流电路在天线后端，位于第四金属层，由射频检波芯片及其外围电路构成，用于监视反向空间电磁波强度。
8.如权利要求1所述的非互易功能可定制的非线性超表面，其特征在于，一个数字控制模块包括FPGA开发板和安装在其扩展口上的两个AD/DA模块，将电磁感应模块输出的直流信号输入AD子模块，得到携带电磁波强度信息的数字信号，并将数字信号馈入FPGA开发板，FPGA开发板内预加载了需要实现的非互易程序，FPGA开发板根据电磁波的方向及其强度以及需要实现的非互易功能，输出数字控制信号，DA子模块将数字控制信号转换为直流电压控制信号，将此控制信号加到第一金属层所有单元的方形环贴片整体与第二金属层贴片导线之间，即所有并联变容二极管两端，即可控制透射电磁表面的透射系数，最终实现所需的非互易性能。
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