CN110911845A - 一种宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元及控制方法。本发明采用辐射器，辐射器的边缘具有多个微调谐片并在中心具有微调谐孔，辐射器与射频开关连接，在射频开关关断和导通的两种状态下分别对应关断和导通模式，通过优化微调谐孔和微调谐片的尺寸，使得关断模式和导通模式的电场分布在目标频率附近尽可能保持一致，以获得两种模式之间稳定的相位差，使时空编码数字超表面单元能够工作于宽频带的1比特180°的反射相位的调控；另外，通过合理的设计交直隔离器，使得偏置电路的加载不仅几乎没有改变单元原本的相位差、没有带来单元损耗，还没有破坏单元本身的对称性导致不必要的交叉极化。本发明在频带7.71～9.48GHz带宽内，实现了180°相移。

Description

一种宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元及控制方法
技术领域
本发明涉及编码数字超表面技术，具体涉及一种宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元及其控制方法。
背景技术
超表面作为一种二维等效超材料，是通过人工方式加工或合成的、具有特殊电磁特性的二维表面，由于其具有低剖面、易加工、低成本以及自然界不一定能获取的出色电磁特性，近年来吸引了越来越多科学界和工程界学者的关注。相比于三维体超材料，超表面的厚度可以忽略不计，具有更好的集成性。
在2018年，有学者将编码数字超表面与相位切换屏和时间调制阵列相结合，提出了时空编码数字超表面的概念。通过适当设计不同的编码序列，提出的超表面可以实现多种多样的辐射性能，例如谐波光束控制，高增益波束扫描、波束赋形和缩减雷达散射截面等。通过引入正-本征-负射频开关集成到每个单元的矩形辐射片上，可以通过理论仿真和实验测量实现一个1比特时空编码数字超表面模型。由于时空编码超表面具有上述优势，它在无线通信、认知雷达、多输入多输出系统、产生轨道自旋角动量、自适应波束扫描和全息成像等领域具有极大的潜在优势。
尽管时空编码超表面有着很多极好的性能，但是仍然有很多缺陷限制了它的发展，其中带宽较窄是极其突出的局限之一。一方面是由于各个单元到馈源的路径不同，因此造成了单元间不同的相位延迟。另一方面是由于微带单元有其固有的窄带特性，主要是由其极小的单元尺寸造成的。近年来，基于PIN射频开关实现的可重构单元，在低分辨率下得到了很好的发展。在这些设计中，基于1比特相位可调实现的波束扫描和波束赋形性能已经在实验上被有效地验证。但是这些1比特单元都有着较窄的相对带宽，甚至有些单元还有着难以接受的交叉极化。
增加超表面单元的1比特相移是增加时空编码超表面阵列带宽的有效方法之一。为此，设计一种宽带低交叉极化的1比特时空编码数字超表面单元对实现宽带时空编码超表面阵列具有广泛而深远的意义。
发明内容
针对当前时空编码数字超表面带宽较窄、交叉极化较严重的问题，本发明提出了一种宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元及其控制方法。
本发明的一个目的在于提出一种宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元。
本发明的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元包括：第一衬底、金属地、第二衬底、射频开关、偏置通孔、直流通孔、正电极、负电极、微带传输线、交直隔离器和辐射器；其中，在第一衬底上设置金属地；在金属地上设置第二衬底；在第二衬底的一侧设置射频开关；在第二衬底上设置辐射器；射频开关的正极通过微带传输线连接至辐射器；在第一衬底、金属地和第二衬底上并且位于辐射器下设置有两个打通的偏置通孔，两个偏置通孔关于射频开关流通的方向对称并且位于辐射器的零电场点处；在金属地上设置有两个绝缘通孔，绝缘通孔的直径大于偏置通孔，并且分别与偏置通孔共轴；第一衬底、金属地和第二衬底上并且位于射频开关的负极侧设置有直流通孔，直流通孔的圆心位于射频开关的流通方向上；在第一衬底的下表面位于射频开关的一侧设置有负电极，在第一衬底的下表面的另一侧设置有正电极；正电极通过微带传输线分别经过两个偏置通孔连接至辐射器；负电极通过直流通孔经微带传输线连接至射频开关的负极，射频开关通过直流通孔将金属地连接至辐射器上；在第一衬底的下表面设置交直隔离器，交直隔离器的一端位于第一衬底的下表面中心，并且连接微带传输线；射频开关流通的方向位于第二衬底上表面的中轴线上，辐射器关于射频开关流通的方向对称，辐射器的边缘具有多个关于射频开关流通的方向对称的微调谐片，在辐射器的中心具有关于射频开关流通的方向对称的微调谐孔，从而增加电流路径即增加等效电尺寸；当极化方向沿着射频开关导通方向的线极化入射波，照射到时空编码数字超表面单元上，正电极和负电极不加电压时，射频开关关断，等效于电阻、电容和电感串联，辐射器与金属地不连通，辐射器的两侧分别等效为理想磁壁，此时会出现最大电场强度，并出现一系列谐振点，以第一个谐振点作为关断模式的谐振点；正电极和负电极加电压时，射频开关导通，等效于电阻、电容和电感串联，辐射器与金属地连通，在直流通孔处出现零电场，辐射器的两侧分别等效为理想电场壁和理想电磁壁，出现一系列谐振点，由于辐射器具有微调谐片和微调谐孔，增大了电流路径，单元的等效波长增大，因此导致此时的第一个谐振点远离关断模式的谐振点，第二个谐振点靠近关断模式的谐振点，以第二个谐振点作为导通模式的谐振点；辐射器具有微调谐孔和微调谐片，有效增加了电流路径，即增大了单元电尺寸，进一步减少了单元间距，因此增加了斜入射性能；通过优化微调谐孔和微调谐片的尺寸，使得关断模式的谐振点和导通模式的谐振点尽量接近，从而使得关断模式和导通模式的电场分布在目标频率附近尽可能保持一致，以获得两种模式之间稳定的相位差，使时空编码数字超表面单元能够工作于宽频带的1比特180°的反射相位的调控；交直隔离器提供一个等效短路微带传输线，以阻塞射频信号。
交直隔离器的材料采用金属；形状为扇形，扇形的顶点位于第一衬底的下表面的中心；扇形的角度为10°～170°。
射频开关采用PIN二极管。
在偏置通孔和直流通孔的内侧壁均覆金属。
第一衬底和第二衬底的长和宽均不大于目标频率所对应的波长的一半，第一衬底和第二衬底的长和宽为目标频率所对应的波长的0.2～0.5。第一衬底和第二衬底采用电介质材料，介质损耗正切角小的材料，介电常数为1.5～22。第二衬底的厚度小于目标频率所对应的波长的五分之一，第一衬底的厚度为小于目标频率所对应的波长的五分之一。
交直隔离器和辐射器的厚度小于第二衬底的厚度的五分之一。
本发明的另一个目的在于提出一种宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的控制方法。
本发明的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的控制方法，包括以下步骤：
1)极化方向沿着射频开关导通方向的线极化入射波，照射到时空编码数字超表面单元上；
2)当正电极和负电极不加电压时，射频开关关断，等效于电阻、电容和电感串联，辐射器与金属地不连通，辐射器的两侧分别等效为理想磁壁，此时会出现最大电场强度，并出现一系列谐振点，以第一个谐振点作为关断模式的谐振点；
3)当正电极和负电极加电压时，射频开关导通，等效于电阻、电容和电感串联，辐射器与金属地连通，在直流通孔处出现零电场，辐射器的两侧分别等效为理想电场壁和理想电磁壁，出现一系列谐振点，由于辐射器具有微调谐片和微调谐孔，增大了电流路径，单元的等效波长增大，因此导致此时的第一个谐振点远离关断模式的谐振点，第二个谐振点靠近关断模式的谐振点，以第二个谐振点作为导通模式的谐振点；
4)辐射器具有微调谐孔和微调谐片，有效增加了电流路径，即增大了单元电尺寸，进一步减少了单元间距，因此增加了斜入射性能；
5)通过优化微调谐孔和微调谐片的尺寸，使得关断模式的谐振点和导通模式的谐振点接近，从而使得关断模式和导通模式的电场分布在目标频率附近尽可能保持一致，以获得两种模式之间稳定的相位差，使时空编码数字超表面单元能够工作于宽频带的1比特180°的反射相位的调控；
6)交直隔离器提供一个等效短路微带传输线，以阻塞射频信号；
7)金属地、射频开关、偏置通孔、直流通孔、微带传输线、交直隔离器和辐射器都关于入射波极化方向对称，因此实现零交叉极化。
其中，在步骤5)中，根据电流路径长度和谐振频率成反比的原理，通过加入并合理优化微调谐孔和微调谐片的尺寸，使得关断模式的谐振点和导通模式的谐振点接近。
本发明的优点：
本发明采用辐射器，辐射器的边缘具有多个微调谐片并在中心具有微调谐孔，辐射器与射频开关连接，在射频开关关断和导通的两种状态下分别对应关断和导通模式，通过优化微调谐孔和微调谐片的尺寸，使得关断模式和导通模式的电场分布在目标频率附近尽可能保持一致，以获得两种模式之间稳定的相位差，使时空编码数字超表面单元能够工作于宽频带的1比特180°的反射相位的调控；另外，通过合理的设计交直隔离器、偏置通孔及微带传输线，使得偏置电路的加载不仅几乎没有改变单元原本的相位差、没有带来单元损耗，还没有破坏单元本身的对称性导致不必要的交叉极化。本发明在频带7.71～9.48GHz带宽内，实现了180°相移(误差在31°内)，也就是实现了20.59％的相对带宽；并且，仿真结果和理论分析结果具有非常高的一致性。
附图说明
图1为本发明的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的一个实施例的俯视图；
图2为本发明的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的一个实施例的性能图，其中，(a)为幅度图，(b)为反射性能图；
图3为本发明的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的一个实施例的微调谐孔的参数对相位的影响图，其中，(a)为对ON/OFF相位的影响图，(b)为对相位差的影响图；
图4为本发明的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的一个实施例的微调谐片的参数对相位的影响图，其中，(a)为对ON/OFF相位的影响图，(b)为对相位差的影响图；
图5为本发明的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的一个实施例的示意图，其中，(a)为剖面，(b)为仰视图；
图6为本发明的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的一个实施例的垂直入射时的极化分解图，其中，(a)为入射波的极化分解图，(b)为反射波的极化分解图；
图7为本发明的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的一个实施例的反射性能在加偏置电路和不加情况下的对比图，其中，(a)为仿真的共极化和y方向极化时的幅度图，(b)为仿真的共极化和y方向极化时的相位图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1和5所示，本实施例的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元包括：第一衬底1、金属地2、第二衬底3、射频开关4、偏置通孔5、直流通孔6、正电极7、负电极8、微带传输线、交直隔离器9和辐射器10；其中，在第一衬底1上设置金属地2；在金属地2上设置第二衬底3；在第二衬底3的一侧设置射频开关4；在第二衬底3上设置辐射器10；射频开关4的正极通过微带传输线连接至辐射器10；在第一衬底1、金属地2和第二衬底3上并且位于辐射器10下设置有两个打通的偏置通孔5，两个偏置通孔5关于射频开关4流通的方向对称并且位于辐射器10的零电场点处；在金属地2上设置有两个绝缘通孔，绝缘通孔的直径大于偏置通孔5，使得偏置通孔与金属地绝缘，从而在射频开关关断时，辐射器与金属地绝缘，并且分别与偏置通孔5共轴；第一衬底1、金属地2和第二衬底3上并且位于射频开关4的负极侧设置有直流通孔6，直流通孔6的圆心位于射频开关4的流通方向上；在第一衬底1的下表面位于射频开关4的一侧设置有负电极8，在第一衬底1的下表面的另一侧设置有正电极7；正电极7通过微带传输线分别经过两个偏置通孔5连接至辐射器10；负电极8通过直流通孔6经微带传输线连接至射频开关4的负极，射频开关4通过直流通孔6将金属地2连接至辐射器10上；在第一衬底1的下表面设置交直隔离器9，交直隔离器9的一端位于第一衬底1的下表面中心，并且连接微带传输线；射频开关4流通的方向位于第二衬底3上表面的中轴线上，辐射器10关于射频开关4流通的方向对称，辐射器10的边缘具有多个关于射频开关4流通的方向对称的微调谐片，在辐射器10的中心具有关于射频开关4流通的方向对称的微调谐孔，从而增加电流路径即增加等效电尺寸。
在本实施例中，时空编码数字超表面单元的中心频率是8.595GHz，第二衬底3的长和宽均是16mm，即0.458倍的波长；第二衬底3为厚度是2.5mm的F4BM，其介电常数是2.65，损耗角正切小于0.0015；辐射器10的方形片边长为S1＝8mm，四周微调谐片的小矩形长为M1＝2.6mm，宽为S2＝1.2mm，中心的微调谐孔的正方形边长为M2＝3.2mm；射频开关采用PIN二极管，具有较低的插入损耗，且覆盖目标频带(7.71GHz～9.48GHz)；正电极7和负电极8分别为半径0.5mm的金属焊盘；直流通孔6为半径0.2mm的金属通孔；第一衬底1为长和宽均是16mm、厚度0.5mm的F4BM；偏置通孔5为半径0.2mm的通孔；交直隔离器9的张角θ为120°、半径4mm、圆心位于底面正中心的扇形金属片。射频开关流通的方向为x方向。在偏置通孔和直流通孔的内侧壁均覆铜。
射频开关在仿真时被建模为等效的电阻、电容和电感串联电路。对于本实施例所选的二极管MACOM MADP-000907-14020具有较低的插入损耗，且覆盖目标频带(7.71GHz～9.48GHz)，因此被选做本实例的射频开关，当它导通时，它被等效为集总电阻R1＝5.2Ω和电感L1＝30pH(此时串联的电容值无限大，因此相当于没有串联电容)；当它关断时，它被等效为电容C2＝40fF和电感L1＝30pH(此时串联的电阻值为0，因此相当于没有串联电阻)。
一般来说，反射相位的调控是通过可调节多模谐振的方法实现的。当x极化的入射波照射到时空编码数字超表面单元上，辐射器上的电流路径能够通过控制射频开关导通或关断，以实现不同的谐振模式。本发明通过在辐射器的中心开设微调谐孔和周围设置微调谐片的方法，增加了调节电流路径和谐振响应的自由度，因此能够在目标频段内实现一个宽带的1比特180°相移。
为了进一步解释时空编码数字超表面单元的工作原理，需要对时空编码数字超表面单元的不同谐振模式进行分析。以S1＝8mm,M1＝2.6mm,M2＝3.2mm为例，通过HFSS(高频结构仿真器)仿真该单元在1-11GHz内ON、OFF状态下的反射幅度曲线，如图2所示，结果表明该时空编码数字超表面单元在ON、OFF两状态下共有三个谐振点：当射频开关关断时，辐射器的右端和地面不连接，两端出现了近似等效的理想磁壁，此时会出现最大电场强度，因此OFF状态的第一个工作模式是(1，0)，谐振频率为7.42GHz；当射频开关导通时，辐射器的右端通过直流通孔和地面连通，在直流通孔处出现零电场幅度，辐射器的左边和右边分别等效为理想电场壁和理想电磁壁，如果辐射器为矩形而不具有微调谐片和微调谐孔，则这两个谐振点对应的频率分别为f1(＝0.5f0)和f2(＝1.5f0)，由于本发明加入了微调谐结构，增大了电流路径，单元的等效波长增大，因此在本发明中，f1和f2均减小，即此时f1<0.5f0和f2<1.5f0，此时f1远离f0，而f2靠近f0。因此，ON状态下的前两个工作模式是(0.5,0)和(1.5,0)，相应的谐振频率分别为2.5GHz和9.17GHz。由于方形片中心的微调谐孔和四周微调谐片的加载，有效地增加了电流路径，进一步减少了单元间距，因此增加了斜入射性能。接下来希望通过优化M1和M2的大小，使(1,0)和(1.5,0)模式的电场分布在目标频率附近尽可能保持一致，以获得两种模式之间稳定的相位差，使单元可以工作于更宽的频带内。
为了进一步获得一个宽带的频率响应，对辐射器的尺寸参数进行了优化分析。理论上来说，随着微调谐孔的边长增大，辐射器10在两状态下的有效电流路径也增大，因此单元的谐振频率随着M2的增加而减小。此外，(1,0)和(1.5,0)模式电场分布的相似性先增大再减小，在1比特相位差带宽上的变化规律相同。如图3和4所示，辐射器的尺寸参数M2和M1的反射相位和相位差变化规律相类似。最终通过充分优化参数，当M2＝3.2mm，M1＝2.6mm时可以实现一个宽带1比特单元。
为了改变单元反射相位使单元工作于不同的状态，同时又尽可能减小由此引入的控制电路对单元原本反射幅度和相位的影响，因此对本发明的时空编码数字超表面单元来说，通过合理的设计引入直流偏置电路控制射频开关状态，是至关重要的。本发明提出一种新型低交叉极化的偏置电路，单元的侧视图和仰视图如图5所示，为了不影响辐射器10上原本的电流分布，将两个直流通孔对称的置于方形辐射器10的零电场点处，同时隔离中间的金属地。在金属地的背面安装一层薄薄的F4BM(厚度0.5mm)作为第一衬底，以实现偏置布局。在第一衬底的下表面，两个偏置通孔经过一段微带传输线，连接着一个圆心位于底面正中心的扇形金属片作为交直隔离器9，该结构提供一个等效开路微带传输线，以阻塞射频信号。
当x方向线极化的入射波入射到单元上时，由于辐射器和偏置电路均相对于x轴方向(即射频开关导通方向)对称，理论上单元反射是零交叉极化，原因如下：如图6(a)所示，当一个x方向线极化的平面波入射到单元上时，它可以被分解为上下两个等幅度的斜45°入射波即
Figure BDA0002306023490000071
如图6(b)所示，入射波分量
Figure BDA0002306023490000072
对应的反射波可以被分解为x正向的线极化波
Figure BDA0002306023490000073
和y正向的线极化波
Figure BDA0002306023490000074
同时，入射波分量
Figure BDA0002306023490000075
对应的反射波可以被分解为x正向的线极化波
Figure BDA0002306023490000076
和y负向的线极化波
Figure BDA0002306023490000077
由于单元结构相对于x轴方向对称，因此
Figure BDA0002306023490000078
和
Figure BDA0002306023490000079
等幅反向，可相互抵消，反射波只剩下x方向的分量，最终就获得一个理想的零交叉极化反射响应。如图7(a)所示，通过HFSS仿真结果发现，在7.5～9.5GHz内，交叉极化的幅度小于-48dB，这部分的值主要来源于数值误差。
如图7(a)和(b)所示，通过将加载和未加载偏置电路时单元的反射幅度、相位进行了对比，结果表明，两种情况下的相位、幅度曲线几乎完全重合，即偏置电路的加载不仅几乎没有改变单元原本的相位差、没有带来单元损耗，还没有破坏单元本身的对称性导致不必要的交叉极化，进一步验证了偏置电路设计的合理性和卓越的性能。
最终，单元在7.71-9.48GHz内实现了ON、OFF两状态间180°±31°的相位差，相对带宽高达20.59％，两状态下单元损耗小于0.8dB，此外，由于单元结构的对称性，单元完全避免了交叉极化。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元，其特征在于，所述时空编码数字超表面单元包括：第一衬底、金属地、第二衬底、射频开关、偏置通孔、直流通孔、正电极、负电极、微带传输线、交直隔离器和辐射器；其中，在第一衬底上设置金属地；在金属地上设置第二衬底；在第二衬底的一侧设置射频开关；在第二衬底上设置辐射器；射频开关的正极通过微带传输线连接至辐射器；在第一衬底、金属地和第二衬底上并且位于辐射器下设置有两个打通的偏置通孔，两个偏置通孔关于射频开关流通的方向对称并且位于辐射器的零电场点处；在金属地上设置有两个绝缘通孔，绝缘通孔的直径大于偏置通孔，并且分别与偏置通孔共轴；第一衬底、金属地和第二衬底上并且位于射频开关的负极侧设置有直流通孔，直流通孔的圆心位于射频开关的流通方向上；在第一衬底的下表面位于射频开关的一侧设置有负电极，在第一衬底的下表面的另一侧设置有正电极；正电极通过微带传输线分别经过两个偏置通孔连接至辐射器；负电极通过直流通孔经微带传输线连接至射频开关的负极，射频开关通过直流通孔将金属地连接至辐射器上；在第一衬底的下表面设置交直隔离器，交直隔离器的一端位于第一衬底的下表面中心，并且连接微带传输线；射频开关流通的方向位于第二衬底上表面的中轴线上，辐射器关于射频开关流通的方向对称，辐射器的边缘具有多个关于射频开关流通的方向对称的微调谐片，在辐射器的中心具有关于射频开关流通的方向对称的微调谐孔，从而增加电流路径即增加等效电尺寸；当极化方向沿着射频开关导通方向的线极化入射波，照射到时空编码数字超表面单元上，正电极和负电极不加电压时，射频开关关断，等效于电阻、电容和电感串联，辐射器与金属地不连通，辐射器的两侧分别等效为理想磁壁，此时会出现最大电场强度，并出现一系列谐振点，以第一个谐振点作为关断模式的谐振点；正电极和负电极加电压时，射频开关导通，等效于电阻、电容和电感串联，辐射器与金属地连通，在直流通孔处出现零电场，辐射器的两侧分别等效为理想电场壁和理想电磁壁，出现一系列谐振点，由于辐射器具有微调谐片和微调谐孔，增大了电流路径，单元的等效波长增大，因此导致此时的第一个谐振点远离关断模式的谐振点，第二个谐振点靠近关断模式的谐振点，以第二个谐振点作为导通模式的谐振点；辐射器具有微调谐孔和微调谐片，有效增加了电流路径，即增大了单元电尺寸，进一步减少了单元间距，因此增加了斜入射性能；通过优化微调谐孔和微调谐片的尺寸，使得关断模式的谐振点和导通模式的谐振点接近，从而使得关断模式和导通模式的电场分布在目标频率附近保持一致，以获得两种模式之间稳定的相位差，使时空编码数字超表面单元能够工作于宽频带的1比特180°的反射相位的调控；交直隔离器提供一个等效短路微带传输线，以阻塞射频信号。
2.如权利要求1所述的时空编码数字超表面单元，其特征在于，所述交直隔离器的材料采用金属。
3.如权利要求1所述的时空编码数字超表面单元，其特征在于，所述交直隔离器的形状为扇形，扇形的顶点位于第一衬底的下表面的中心。
4.如权利要求1所述的时空编码数字超表面单元，其特征在于，所述射频开关采用PIN二极管。
5.如权利要求1所述的时空编码数字超表面单元，其特征在于，所述在偏置通孔和直流通孔的内侧壁均覆金属。
6.如权利要求1所述的时空编码数字超表面单元，其特征在于，所述第一衬底和第二衬底的长和宽均不大于目标频率所对应的波长的一半。
7.如权利要求1所述的时空编码数字超表面单元，其特征在于，所述第一衬底和第二衬底采用电介质材料，介电常数为1.5～22。
8.如权利要求1所述的时空编码数字超表面单元，其特征在于，所述第二衬底的厚度小于目标频率所对应的波长的五分之一，第一衬底的厚度为小于目标频率所对应的波长的五分之一。
9.一种如权利要求1所述的宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)极化方向沿着射频开关导通方向的线极化入射波，照射到时空编码数字超表面单元上；
2)当正电极和负电极不加电压时，射频开关关断，等效于电阻、电容和电感串联，辐射器与金属地不连通，辐射器的两侧分别等效为理想磁壁，此时会出现最大电场强度，并出现一系列谐振点，以第一个谐振点作为关断模式的谐振点；
3)当正电极和负电极加电压时，射频开关导通，等效于电阻、电容和电感串联，辐射器与金属地连通，在直流通孔处出现零电场，辐射器的两侧分别等效为理想电场壁和理想电磁壁，出现一系列谐振点，由于辐射器具有微调谐片和微调谐孔，增大了电流路径，单元的等效波长增大，因此导致此时的第一个谐振点远离关断模式的谐振点，第二个谐振点靠近关断模式的谐振点，以第二个谐振点作为导通模式的谐振点；
4)辐射器具有微调谐孔和微调谐片，有效增加了电流路径，即增大了单元电尺寸，进一步减少了单元间距，因此增加了斜入射性能；
5)通过优化微调谐孔和微调谐片的尺寸，使得关断模式的谐振点和导通模式的谐振点接近，从而使得关断模式和导通模式的电场分布在目标频率附近保持一致，以获得两种模式之间稳定的相位差，使时空编码数字超表面单元能够工作于宽频带的1比特180°的反射相位的调控；
6)交直隔离器提供一个等效短路微带传输线，以阻塞射频信号；
7)金属地、射频开关、偏置通孔、直流通孔、微带传输线、交直隔离器和辐射器都关于入射波极化方向对称，因此实现零交叉极化。
10.一种如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在步骤5)中，根据电流路径长度和谐振频率成反比的原理，通过优化微调谐孔和微调谐片的尺寸，使得关断模式的谐振点和导通模式的谐振点接近。
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