CN110829034A - 一种可重构超材料基本单元及超表面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重构超材料基本单元及超表面，其中基本单元包括依次设置的金属结构层、介质板层、水介质层和金属地，金属结构层包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第一金属导线与第一矩形贴片的侧边框垂直相接，第二金属导线与第二矩形贴片的侧边框垂直相接，第一矩形贴片与第二矩形贴片平行且两端对齐，第一矩形贴片与第二矩形贴片之间通过调控二极管相连接。与现有技术相比，本发明采用双重调控可重构超材料基本单元，通过改变水介质层的盐度以及二极管的开关模式，实现基本单元对辐射场的反射幅度以及波束偏转角的调控，有利于扩大超表面的波前调制范围。

Description

一种可重构超材料基本单元及超表面

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料技术领域，尤其是涉及一种可重构超材料基本单元及超表面。

背景技术

超材料是一种具有独特电磁特性的人工结构，超表面是由超材料衍生而来的，可以看作是具有更显著优势的二维超材料。超材料和超表面因为一些不同于传统材料的新奇性质一直被广泛研究，随着近年来的不断发展，基于超材料或者超表面的波前控制已经是一个热门研究领域，能够调制电磁波始终是设计超材料或超表面的目标。由于斯涅尔定律的推广，进一步增加了人们对波前调制的兴趣，尤其是可编码和数字化的超材料和超表面，为超表面设计开辟了新的思路，可编码超表面能够实现散射场控制、信息操作、成像等多种应用。

当前对于超材料或超表面的波前控制，一方面，传统主要是控制媒质的介电常数、磁导率在空间上按照一定规律变化，比如水作为一种丰富的生物相容性材料，已经被用于各种超材料的研究，以移波器、弹性谐振器、负动态密度的超声结构为例，这些水基超材料主要利用了水的动力学特性。此外，基于水的电磁特性：水具有均匀的介电损耗以及高实部的介电常数，目前提出了一种基于水的可调超表面，通过旋转含有水的超表面单元阵列来调节吸收；而由于热变化会影响水的介电常数，因此提出了一种基于水的热可调谐超表面吸收器。同时，水基超材料在生物传感和可变形结构方面也有着广泛的应用；

另一方面，可重构技术也被广泛应用于超材料的波前控制研究中，主要通过加载电子器件或使用机械方法来改变超材料的电磁行为，比如利用可变电容、可变电阻及开关等电子器件，通过改变电容值、功耗或电路的通断以实现重构目的，这种方法的加工制备过程比较复杂，难于实现。

现有的波前调控研究中，由于结合多种调制方法较为困难，因此通常只使用上述任意的一种调制方法，无法同时调控基本单元反射振幅和波束偏转角，使得超表面的波前调制范围比较小。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有波前双重调控功能的可重构超材料基本单元及超表面，利用水基质盐度以及调控二极管偏置电压的改变，从而实现反射振幅和波束偏转角的双重调制。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可重构超材料基本单元，包括自上而下依次设置的金属结构层、介质板层、水介质层和金属地，所述水介质层的盐度为可变化的，所述金属结构层包括位于介质板层上表面的第一矩形贴片、第二矩形贴片、第一金属导线和第二金属导线，所述第一金属导线与第一矩形贴片的侧边框垂直相接，所述第二金属导线与第二矩形贴片的侧边框垂直相接，所述第一矩形贴片与第二矩形贴片相互平行且两端对齐，所述第一矩形贴片的下边框与第二矩形贴片的上边框之间通过调控二极管相接，所述调控二极管位于金属结构层的中心位置。

进一步地，所述水介质层的盐度值包括第一盐度值和第二盐度值。

进一步地，所述基本单元的工作状态包括第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态和第四工作状态，所述第一工作状态为水介质层的盐度值为第一盐度值且调控二极管为导通状态；所述第二工作状态为水介质层的盐度值为第一盐度值且调控二极管为截止状态；所述第三工作状态为水介质层的盐度值为第二盐度值且调控二极管为导通状态；所述第四工作状态为水介质层的盐度值为第二盐度值且调控二极管为截止状态。

进一步地，所述第一盐度值为0‰，所述第二盐度值为30‰。

进一步地，所述调控二极管通过可编程门阵列FPGA控制二极管的偏置电压，使调控二极管为导通或截止。

进一步地，所述基本单元的周期长度为9～11mm，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的上、下边框长度均为8.1～8.3mm，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的侧边框宽度均为3.8～4.0mm，所述第一矩形贴片的下边框与第二矩形贴片的上边框之间的垂直距离为0.3～0.5mm，所述介质板层的厚度为0.9～1.1mm，其介电常数为2.35～2.95，损耗角正切为-0.002～0.004，所述水介质层厚度为0.9～1.1mm。

进一步地，所述基本单元的周期长度为10mm，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的上、下边框长度均为8.2mm，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的侧边框宽度均为3.9mm，所述第一矩形贴片的下边框与第二矩形贴片的上边框之间的垂直距离为0.4mm，所述介质板层的厚度为1mm，所述水介质层厚度为1mm。

一种可重构超表面，所述超表面包括呈方形矩阵排列的N×N个基本单元，其中，N为非零正整数。

本发明的工作原理为：通过改变基本单元中水介质层的盐度以及调控二极管的导通/截止状态，使得基本单元在在正入射的线极化电磁波的照射下，能够产生的不同的反射相位响应以及幅度响应，其中，水介质层的盐度变化时，基本单元的共振频率会发生改变，从而实现基本单元反射幅度的调控；利用偏置电压的变化，能够改变调控二极管的导通/截止状态，从而实现对辐射波束偏转角的调制，结合反射幅度和辐射波束偏转角的调控，最终实现基本单元波前双重调控的目的。

与现有技术相比，本发明通过在基本单元结构中设置可改变盐度值的水介质层以及可调控二极管，通过改变水介质层的盐度以及调控二极管的开关模式，实现对辐射场的反射幅度以及波束偏转角的双重调控，有利于扩大后续超表面的波前调制范围；

本发明提出的超材料基本单元中，水介质层的盐度变化值和调控二极管的偏置电压均采用可调控方式，只需依靠简单的金属图样和水介质，就能实现在微波频段内易于制备加工的目的。

附图说明

图1为本发明超材料基本单元的正面结构示意图；

图2为本发明超材料基本单元的横截面结构示意图；

图3为实施例中超材料基本单元的立体示意图；

图3a为实施例中超表面的俯视图；

图3b为实施例中水介质层盐度为0‰时基本单元的相位响应示意图；

图3d为实施例中水介质层盐度为30‰时基本单元的相位响应示意图；

图3e为实施例中水介质层盐度为0‰时基本单元的幅度响应示意图；

图3f为实施例中水介质层盐度为30‰时基本单元的幅度响应示意图；

图4a为实施例中二极管均截止时超表面的俯视图；

图4b为实施例中二极管均导通时超表面的俯视图；

图4c为实施例中开关模式1状态下超表面的俯视图；

图4d为实施例中开关模式2状态下超表面的俯视图；

图5a为实施例中水介质层盐度为0‰且二极管均截止时超表面的3D远场仿真结果；

图5b为实施例中水介质层盐度为0‰且二极管均导通时超表面的3D远场仿真结果；

图5c为实施例中水介质层盐度为30‰且二极管均截止时超表面的3D远场仿真结果；

图5d为实施例中水介质层盐度为30‰且二极管均导通时超表面的3D远场仿真结果；

图5e为实施例中水介质层盐度为0‰且二极管导通/截止时超表面的2D远场仿真结果；

图5f为实施例中水介质层盐度为30‰且二极管导通/截止时超表面的2D远场仿真结果；

图6a为实施例中水介质层盐度为0‰时的反射率；

图6b为实施例中水介质层盐度为0‰时的反射率；

图7a为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为0‰时的第一频点3D远场仿真结果；

图7b为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为30‰时的第一频点3D远场仿真结果；

图7c为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为0‰时的第二频点3D远场仿真结果；

图7d为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为30‰时的第二频点3D远场仿真结果；

图7e为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为0‰时的2D远场仿真结果；

图7f为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为30‰时的2D远场仿真结果；

图8a为实施例中开关模式2状态下水介质层盐度为0‰时的第一频点3D远场仿真结果；

图8b为实施例中开关模式2状态下水介质层盐度为30‰时的第一频点3D远场仿真结果；

图8c为实施例中开关模式2状态下水介质层盐度为0‰时的第二频点3D远场仿真结果；

图8d为实施例中开关模式2状态下水介质层盐度为30‰时的第二频点3D远场仿真结果；

图8e为实施例中开关模式2状态下水介质层盐度为0‰时的2D远场仿真结果；

图8f为实施例中开关模式2状态下水介质层盐度为30‰时的2D远场仿真结果；

图9为实施例中超表面的样品结构图；

图10a为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为0‰时的第一频点2D远场仿真结果与实验结果对比示意图；

图10b为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为30‰时的第一频点2D远场仿真结果与实验结果对比示意图；

图10c为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为0‰时的第二频点2D远场仿真结果与实验结果对比示意图；

图10d为实施例中开关模式1状态下水介质层盐度为30‰时的第二频点2D远场仿真结果与实验结果对比示意图；

图中标记说明：1、金属结构层，11、第一矩形贴片，12、第二矩形贴片，13、第一金属导线，14、第二金属导线，2、调控二极管，3、介质板层，4、水介质层，5、金属地。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1～图2所示，一种可重构超材料基本单元，包括自上而下依次设置的金属结构层1、介质板层3、水介质层4和金属地5，其中，金属结构层5包括附于介质板层3上表面的第一矩形贴片11、第二矩形贴片12、第一金属导线13和第二金属导线14，第一金属导线13与第一矩形贴片11的侧边框垂直相接，第二金属导线14与第二矩形贴片12的侧边框垂直相接，第一矩形贴片11与第二矩形贴片12平行且两端对齐，第一矩形贴片11与第二矩形贴片12之间通过位于金属结构层1中心位置的调控二极管2相连接。

如图3a所示，本实施例中基本单元的周期长度X为10mm，第一矩形贴片1和第二矩形贴片12的长度Y均为8.2mm，第一矩形贴片11和第二矩形贴片12的宽度Z为3.9mm，第一矩形贴片11和第二矩形贴片12之间的间隙W为0.4mm，上层的介质板层3的厚度H1为1mm，中间的水介质层4厚度H2为1mm，水介质层4的盐度可变化为0‰和30‰，调控二极管2的导通和截止是通过可编程门阵列FPGA控制偏置电压实现的。

当基本单元的中间水介质层4的盐度为0‰，频率为9.5GHz时，调控二极管2导通和截止状态之间的相位差从-211°变化到90°；当基本单元的水介质层4的盐度为30‰，频率为10.5GHz时，调控二极管2导通和截止状态之间的相位差在-4°到-205°之间变化。当基本单元的中间水介质层4的盐度改变时，共振频率会发生改变，并且调控二极管2的导通和截止状态分别产生了不同的反射幅度。

具体而言，基本单元的工作状态分为4种：基本单元的中间水介质层4的盐度为0‰且调控二极管2为导通状态；基本单元的中间水介质层4的盐度为0‰且调控二极管2为截止状态；基本单元的中间水介质层4的盐度为30‰且调控二极管2为导通状态；基本单元的中间水介质层4的盐度为30‰且调控二极管2为截止状态。在本发明中，通过改变基本单元的水介质的盐度和调控二极管的导通/截止状态，以实现对散射场的调控。

本实施例中超表面是由20×20个基本单元构成的方形矩阵阵列，具体如图3b所示。由图3c～图3f所示的反射相位响应和幅度响应可知，当水基质的盐度和二级管的工作状态改变时，均会产生不同的反射幅度和反射相位，由此可以扩大超表面的调控范围。

由现场可编程门阵列FPGA的偏置电压通过顶部表面的细长金属线控制二极管的开/关状态，因此每行二极管的电压相同，即每行二极管工作状态相同，而不同行之间的电压可以不同，故不同行的二极管工作状态可以不同，所以通过FPGA对每行的二极管进行控制，能够产生不同开关模式状态下的超表面。图4a～图4d所示为具有不同二极管开关状态的超表面示意图，其中，开关模式1具体为：二极管开关模式的一个周期由两行导通的二极管和两行截止的二极管组成，开关模式2具体为：二极管开关模式的一个周期由五行导通的二极管以及五行截止的二极管组成，设计不同二极管开关状态是为了实现不同的散射场，从而实现X波段波前的控制。由图4a和图4b可知，当二极管全部导通或二极管全部截止时，超表面均产生单波束的辐射场，图4c中开关模式1的周期小于图4d中开关模式2的周期，由图4c和图4d可知，不同的开关模式状态下，超表面均可产生多波束的辐射场。

如图5a～图5f所示，在二极管全部导通或截止的情况下，当盐度从30‰变为0‰，或二极管从全部截止变为全部导通时，单波束的反射能量将减少，这两种方法都可用于调制10GHz和12GHz的幅度。

如图6a～图6b所示，由仿真反射率和实验测得的反射率可知，当盐度或二极管工作状态改变时，会导致共振频率发生改变。由此表明，盐度的调节和对二极管工作状态控制，这两种方法都能有效地调控超表面的吸收特性。

如图7a～图7d所示，开关模式1状态下，超表面的辐射场有三个波束，且波束偏转角度较大。此外，图7e～图7f中四种情况下超表面的反射幅度不同。

如图8a～图8f所示，开关模式2状态下，超表面反射幅度和相位差与开关模式1状态下的辐射场相似，但偏转角度有所不同，开关模式2的周期较大，开关模式1的周期较小，对比可知，较大的周期产生较小的偏转角度，且二极管的导通和截止状态都会极大地影响超表面反射的辐射幅度，此外，盐度也显著地影响了反射波束的幅度，因此通过适当调节水介质层的盐度，可对超表面的吸收特性进行调制。并且开关模式1和开关模式2状态下，通过FPGA控制每行基本单元中二极管的工作状态，改变方案中阵列的周期长度，周期越大，散射波束的偏转角度越小。因此本发明中所述的超表面将水介质的盐度调节与二极管工作状态控制两种方法相结合，实现了对X波段波前双重调控，为波前控制提供了一种更加灵活、经济的方法。

在实验中，所设计的超表面是在X波段制造和测量的，超表面的简要结构示意如图9所示，本发明中的超表面加工简单，在微波频段内易于制备。实验采用两个宽带矩形喇叭天线来测量远场散射和反射率。

如图10a～图10d所示，实验测量了开关模式1状态下的远场结果，并与其仿真结果进行了比较，测量得到的波束与仿真结果具有良好的一致性。进一步地表明本发明提出的超表面(结合了水介质和二极管)，通过控制水介质的盐度和二极管的工作状态，不仅可以控制散射波束的幅度，而且可以控制波束的偏转角，实现了灵活地调制超表面的反射波前，为电磁波的调控提供了更多的可能性。

综上所述，本发明区别于传统的利用等效媒质参数对超材料进行分析与设计的方案，从可编程的角度分析和设计超表面，极大的简化了设计过程；

本发明通过控制水介质层的盐度以及二极管的工作状态继而控制超表面单元的传输状态，使得所设计的电磁超表面具有可编程的功能；

本发明采用双重调控可重构基本单元，通过改变水介质层的盐度以及二极管的模式，能够有效调控辐射场的反射幅度以及波束偏转角。

Claims (8)

1.一种可重构超材料基本单元，其特征在于，包括自上而下依次设置的金属结构层(1)、介质板层(3)、水介质层(4)和金属地(5)，所述水介质层(4)的盐度为可变化的，所述金属结构层(1)包括位于介质板层(3)上表面的第一矩形贴片(11)、第二矩形贴片(12)、第一金属导线(13)和第二金属导线(14)，所述第一金属导线(13)与第一矩形贴片(11)的侧边框垂直相接，所述第二金属导线(14)与第二矩形贴片(12)的侧边框垂直相接，所述第一矩形贴片(11)与第二矩形贴片(12)相互平行且两端对齐，所述第一矩形贴片(11)的下边框与第二矩形贴片(12)的上边框之间通过调控二极管(2)相接，所述调控二极管(2)位于金属结构层(1)的中心位置。

2.根据权利要求1所述的一种可重构超材料基本单元，其特征在于，所述水介质层(4)的盐度值包括第一盐度值和第二盐度值。

3.根据权利要求2所述的一种可重构超材料基本单元，其特征在于，所述基本单元的工作状态包括第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态和第四工作状态，所述第一工作状态为水介质层(4)的盐度值为第一盐度值且调控二极管(2)为导通状态；所述第二工作状态为水介质层(4)的盐度值为第一盐度值且调控二极管(2)为截止状态；所述第三工作状态为水介质层(4)的盐度值为第二盐度值且调控二极管(2)为导通状态；所述第四工作状态为水介质层(4)的盐度值为第二盐度值且调控二极管(2)为截止状态。

4.根据权利要求2所述的一种可重构超材料基本单元，其特征在于，所述第一盐度值为0‰，所述第二盐度值为30‰。

5.根据权利要求1所述的一种可重构超材料基本单元，其特征在于，所述调控二极管(2)通过可编程门阵列FPGA控制二极管的偏置电压，使调控二极管(2)为导通或截止。

6.根据权利要求1所述的一种可重构超材料基本单元，其特征在于，所述基本单元的周期长度为9～11mm，所述第一矩形贴片(11)和第二矩形贴片(12)的上、下边框长度均为8.1～8.3mm，所述第一矩形贴片(11)和第二矩形贴片(12)的侧边框宽度均为3.8～4.0mm，所述第一矩形贴片(11)的下边框与第二矩形贴片(12)的上边框之间的垂直距离为0.3～0.5mm，所述介质板层(3)的厚度为0.9～1.1mm，其介电常数为2.35～2.95，损耗角正切为-0.002～0.004，所述水介质层(4)厚度为0.9～1.1mm。

7.根据权利要求6所述的一种可重构超材料基本单元，其特征在于，所述基本单元的周期长度为10mm，所述第一矩形贴片(11)和第二矩形贴片(12)的上、下边框长度均为8.2mm，所述第一矩形贴片(11)和第二矩形贴片(12)的侧边框宽度均为3.9mm，所述第一矩形贴片(11)的下边框与第二矩形贴片(12)的上边框之间的垂直距离为0.4mm，所述介质板层(3)的厚度为1mm，所述水介质层(4)厚度为1mm。

8.一种可重构超表面，其特征在于，所述超表面由呈方形矩阵排列的N×N个如权利要求1所述的基本单元构成，其中，N为非零正整数。

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