CN110994187A - 一种具有极化可重构特性的反射式基本单元及超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有极化可重构特性的反射式基本单元，包括依次设置的表层金属结构层、上层介质板层、中间金属结构层、下层介质板层和底层金属结构层；表层金属结构层包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、第一pin二极管、第一射频扼流圈、第二射频扼流圈。第一矩形贴片和第一射频扼流圈相接，第二矩形贴片和第二射频扼流圈相接，第一pin二极管分别与第一矩形贴片、第二矩形贴片垂直相接。本发明采用可调控基本单元，通过调控PIN二极管的工作状态，将反射极化调制成共极化或交叉极化，可以在特定的编码序列内对反射光束合成极化进行灵活地控制。

Description

一种具有极化可重构特性的反射式基本单元及超材料
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种在微波段具有极化可重构特性的反射式电磁编码超材料。
背景技术
在过去的几十年里，超材料因其无与伦比的电磁特性而掀起了一股研究热潮。新型人工电磁材料，简称超材料，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。由三维人工结构演化而来的超表面作为平面化的超材料，不仅保持了优越的性能，而且剖面低和加工难度低也使其应用前景广泛。其中，编码和可编程的超表面为超表面设计和电磁波处理开辟了数字化的前景。该方法将相位、振幅、极化等常规物理参数用数字“0”、“1”表示，实现了用二进制信息来调控电磁波。此外，智能超材料作为信息科学的一个发展方向，也逐渐受到关注，它能够实现自适应和自定义功能。大多数编码超表面关注于相位模式调控，但很少涉及极化调制。
在许多电磁特性中，极化是多通道通信和高分辨率成像的关键参数之一。为了实现对极化的控制，人们提出了从微波到太赫兹的各种极化转换器。极化转换器追求的目标之一是高效率，而有些设计追求更宽的工作频带，甚至是多频带。同时，手性转化结构也实现了非对称传递。但是，上述的超表面都是不可调的，功能是固定的，这极大地限制了它们的应用潜力。为了实现可变极化变换器，需要PIN二极管等有源器件来重构电磁特性。人们提出了一种初始极化可重构装置，但其功能有限，需要特定的馈电喇叭。本发明首先将可重构极化引入到编码超表面中，以此来实现多种极化调制。将PIN二极管集成到单元结构中，用来改变x波段的等效电子结构。因此，可以灵活地定义极化转换状态。为了对现有系统进行数字化，我们进一步将反射共极化和交叉极化编码为数字“0”和“1”。采用不同的编码序列，可以根据需要调节反射光束的偏振角。不仅得到了两个正交极化态(x-和y-)，而且得到了这两个极化态之间的过渡态。我们认为这项工作将进一步丰富编码和可编程超表面的操作维度，从而促进更多的潜在应用。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有极化可重构特性的反射式基本单元及超材料，通过控制pin二极管的工作状态来改变超材料特性。设计特定的数字编码矩阵并通过FPGA控制编码单元的状态将编码矩阵对应地赋予材料中的每个基本单元，其便可在依据不同的pin二极管的工作状态来实现超材料不同的反射极化状态。
技术方案：为实现上述目的，本发明具有极化可重构特性的反射式基本单元采用以下技术方案：
基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层、上层介质板层、中间层金属结构层、下层介质板层和底层金属结构层；所述表层金属结构层包括贴附于上层介质板层上表面并沿上层介质板层对角线设置的pin二极管、第二射频扼流圈、第一射频扼流圈、第一矩形贴片、第二矩形贴片；pin二极管位于中间，分别与第一矩形贴片、第二矩形贴片直线相接，第一矩形贴片的外端与第一射频扼流圈8相接，第二矩形贴片的外端与第二射频扼流圈相接。
其中，所述上层介质板层的边长为基本单元的周期长度A，基本单元的周期长度A为9.9-10.1mm。
所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的长度L均为5.25-5.45mm，宽度W均为0.9-1.1mm，间距G为0.2-0.4mm。
所述上层介质板层和下层介质板层的厚度H均为1.9-2.1mm，上层介质板的介电常数为2.55-2.75，损耗角正切为0.0009-0.011，下层介质板的介电常数为4.3-4.5，损耗角正切为0.019-0.021。
所述超材料包括N×N个基本单元，N为非零正整数，N×N个基本单元采用方形矩阵排列在一个平面上。
所述超材料的基本单元共有2种基本单元状态；通过可编程门阵列FPGA控制基本单元中的Pin二极管导通和截止状态，得到对于每一个基本单元在正入射的线极化电磁波的照射下独立地产生2种数字态响应，2种数字态响应对应2种极化状态，2种数字态响应得到2个不同极化的数字态编码，2个不同极化数字态编码对应2种基本单元的表层调控pin二极管的导通和截止状态；通过排列不同的编码序列，实现了对反射光束极化的灵活控制。
2个不同极化的数字态编码分别为“0”、“1”，其分别表示正入射线极化电磁波下的反射极化为共极化或交叉极化。
所述2个不同极化的数字态编码“0”、“1”对应2种数字态响应，所述2种数字态响应分别对应的两种反射极化状态为共极化、交叉极化。
2种基本单元的工作状态中，“0”对应表层调控pin二极管的工作状态为截止，“1”对应表层调控pin二极管的工作状态为导通。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.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，从数字编码的角度分析和设计超材料，极大的简化了设计过程；
2.本发明通过控制二极管的工作状态继而控制超材料单元的反射极化特性，使得所设计的电磁超材料具有可编程的功能；
3.本发明具有一定的宽带特性，超材料的基本单元在宽频带内均能实现功能；
4.本发明加工简单，便于实现，仅依靠简单的金属图样，在微波频段内易于制备加工。
附图说明
图1是本发明中基本单元的正面结构示意图；
图2是本发明中基本单元的截面结构示意图；
其中：表层金属结构层1，上层介质板层2，中间层金属结构层3，下层介质板层4，底层金属结构层5，pin二极管6，第二射频扼流圈7，第一射频扼流圈8，第一矩形贴片9，第二矩形贴片10，A为基本单元的周期长度；L为矩形贴片长度；W为矩形贴片宽度；H为介质板层的厚度；
图3是元件设计和两种极化状态以及仿真结果，其中：图3(a)是pin二极管等效电路模型；图3(b)是二极管开、关时共极化的振幅响应；图3(c)是二极管开、关时交叉极化的振幅响应；图3(d)是二极管开、关时共极化和交叉极化的相位响应。
图4是本发明中给出的六种状态以及仿真结果，并给出了六中不同的编码序列。其中：图4(a)是二极管全关的状态下的共极化状态，图4(b)是二极管全开的状态下的交叉极化状态；图4(c)、(d)、(e)、(f)分别是编码为“10000”、“11000”“11100”和“11110”时的过渡极化状态。
图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)、5(e)、5(f)是6种不同编码状态下的仿真的二维远场结果。
图6是超材料的远场结果，图6(a)、6(b)分别是六种不同编码状态下的共极化和交叉极化的远场测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-3所示，一种具有极化可重构特性的反射式基本单元，基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层1、上层介质板层2、中间金属结构层3、下层介质板层4和底层金属结构层5；所述表层金属结构层1包括贴附于上层介质板层上表面的第一矩形贴片9、第二矩形贴片10、pin二极管6、第一射频扼流圈8、第二射频扼流圈7。第一矩形贴片9和第一射频扼流圈8相接，第二矩形贴片10和第二射频扼流圈7相接，pin二极管6分别与第一矩形贴片9、第二矩形贴片10垂直相接，表层调控pin二极管6的底面与上层介质板层2的上表面相接。
作为一个优选方案，表层金属结构层1、表层调控pin二极管2和上层介质板层3与底层金属结构层5、和下层介质板层4相对于中间金属结构层3所在的平面对称设置。
进一步的，所述基本单元的周期长度A为9.9-10.1mm，；所述第一矩形贴片9和第二矩形贴片10的长度L均为5.25-5.45mm；第一矩形贴片9和第二矩形贴片10的宽度W均为0.9-1.1mm；所述第一矩形贴片9和第二矩形贴片10之间的间距G为0.2-0.4mm；所述上层介质板层2和下层介质板层4的厚度H均为1.9-2.1mm，上层介质板2的介电常数为2.55-2.75，损耗角正切为0.0009-0.011，下层介质板4的介电常数为4.3-4.5，损耗角正切为0.019-0.021。
作为第一个优选方案，所述基本单元的周期A为10mm；所述第一矩形贴片9和第二矩形贴片10的长度L均为5.35mm；第一矩形贴片9和第二矩形贴片10的宽度W均为1mm；第一矩形贴片9和第二矩形贴片10之间的间距G为0.3mm；所述上层介质板层2和下层介质板层4的厚度H均为2mm。
作为第二个优选方案，所述基本单元的周期A为9.9mm；所述第一矩形贴片9和第二矩形贴片10的长度L均为5.25mm；第一矩形贴片9和第二矩形贴片10的宽度W均为0.9mm；第一矩形贴片9和第二矩形贴片10之间的间距G为0.2mm；所述上层介质板层2和下层介质板层4的厚度H均为1.9mm。
作为三个优选方案，所述基本单元的周期A为10.1mm；所述第一矩形贴片9和第二矩形贴片10的长度L均为5.45mm；第一矩形贴片9和第二矩形贴片10的宽度W均为1.1mm；第一矩形贴片9和第二矩形贴片10之间的间距G为0.4mm；所述上层介质板层2和下层介质板层4的厚度H均为2.1mm。
有本发明基本单元组成的超材料，所述超材料包括N×N个基本单元，N为非零正整数，N×N个基本单元采用方形矩阵排列。
所述超材料的基本单元共有2种基本单元状态；通过可编程门阵列FPGA控制基本单元中的Pin二极管6导通和截止状态，得到对于每一个基本单元在正入射的线极化电磁波的照射下独立地产生2种数字态响应，2种数字态响应对应2种极化状态，2种数字态响应得到2个不同极化的数字态编码，2个不同极化数字态编码对应2种基本单元的表层调控pin二极管6的导通和截止状态；通过排列不同的编码序列，实现了对反射光束极化的灵活控制。其中，2个数字态编码分别为“0”、“1”，其分别表示正入射线极化电磁波下的反射极化为共极化或交叉极化。
具体地讲，所述2个数字态编码“0”、“1”对应2种数字态响应，所述2种数字态响应分别对应的两种反射极化状态为共极化、交叉极化。
具体地讲，2种基本单元的工作状态中，“0”对应表层调控pin二极管6的工作状态为截止，“1”对应表层调控pin二极管6的工作状态为导通。
在本发明中，以导通方向不同的pin二极管的两种电磁超材料单元作为两种数字编码态“0”、“1”单元，通过设计不同的编码矩阵，以实现对于正入射的电磁波进行反射极化的调控。
如图3所示，图3(a)是pin二极管通断时的等效电路，由于二极管明显地改变了变换器的电长度，因此在频域内可以得到两个转换点。图3(b)、图3(c)分别表示二极管开、关时的共极化振幅响应和交叉极化振幅响应，对于线性极化入射，当二极管打开时，极化转换发生在9.8GHz；当二极管关闭时，转换点移动到12.1GHz；在其他状态下，反映共极化。图3(d)显示了上述两种情况下的相位响应。在9.8GHz时，反射相位几乎是一致的，这对于极化合成来说是完美的。
如图4所示，当二极管处于关闭状态时，电磁波都以相同的极化方式反射；相反，能量转化为交叉极化。本发明中给出了六种不同的编码序列以及六种状态对应的仿真结果，图4(a)中，当6个pin二极管全部关闭时，反射波合成极化为共极化状态(x极化)；图4(b)中，当6个pin二极管全部打开时，反射波合成极化转化为交叉极化状态(y极化)，在这两种状态下，反射振幅均在0.8以上，效率良好。在这两个正交极化之间，进一步提出了四种中间态，如图4(c)-(f)所示，分别是编码为“10000”、“11000”“11100”和“11110”时的过渡极化状态，在编码序列不同的情况下，根据对应于x极化和y极化的0/1码量调制两个正交分量上的值，然后从合成的矢量中得到最终的极化。图4(c)-(f)的极化角分别为15.6°、34.4°、57.4°和79.5°，与编码“10000”、“11000”、“11100”和“11110”有关。随着二极管打开的数量逐渐增多时，极化状态也逐渐从共极化转化为交叉极化。
如图5所示，图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)、5(e)、5(f)是6种不同编码状态下的仿真的二维远场结果。随着编码序列中“0/1”编码数量的变化，远场功率也随之变化。在图5(a)和(b)中，共极化和交叉极化的归一化电场强度分别为0.83、0.07(编码：00000)和0.02、0.91(编码：11111)，正好代表了两个正交极化，x极化和y极化。在图5(c)-(f)中，共极化功率从0.75减小到0.15，而交叉极化功率从0.21增大到0.81。表明当超材料所有二极管关闭时，反射波合成极化中共极化占据主要部分，交叉极化占据极小部分，随着二极管打开的数量从0到6逐渐增加，反射波共极化逐渐减少，交叉极化逐渐增加。
如图6所示，对超材料阵列的6种工作状态进行远场方向图实验测试，分别对应编码“00000”、“10000”、“11000”、“11100”、“11110”和“11111”。由图6可知，随着编码序列中“0/1”编码数量的变化，远场功率也随之变化。随着“1”编码的逐渐增多，共极化功率逐渐下降，交叉极化功率逐渐上升。这与之前的仿真结果也保持着很好的一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有极化可重构特性的反射式基本单元，其特征在于：基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层(1)、上层介质板层(2)、中间层金属结构层(3)、下层介质板层(4)和底层金属结构层(5)；所述表层金属结构层(1)包括贴附于上层介质板层(2)上表面并沿上层介质板层(2)对角线设置的第一pin二极管(6)、第二射频扼流圈(7)、第一射频扼流圈(8)、第一矩形贴片(9)、第二矩形贴片(10)；第一pin二极管(6)位于中间，分别与第一矩形贴片(9)、第二矩形贴片(10)直线相接，第一矩形贴片(9)的外端与第一射频扼流圈(8)相接，第二矩形贴片(10)的外端与第二射频扼流圈(7)相接。
2.根据权利要求1所述的一种具有极化可重构特性的反射式基本单元，其特征在于：所述上层介质板层(2)的边长为基本单元的周期长度A，基本单元的周期长度A为9.9-10.1mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有极化可重构特性的反射式基本单元，其特征在于：所述第一矩形贴片(9)和第二矩形贴片(10)的长度L均为5.25-5.45mm，宽度W均为0.9-1.1mm，间距G为0.2-0.4mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有极化可重构特性的反射式基本单元，其特征在于：所述上层介质板层(2)和下层介质板层(4)的厚度H均为1.9-2.1mm，上层介质板(2)的介电常数为2.55-2.75，损耗角正切为0.0009-0.011，下层介质板(4)的介电常数为4.3-4.5，损耗角正切为0.019-0.021。
5.一种如权利要求1-4任一所述的具有极化可重构特性的反射式基本单元组成的超材料，其特征在于：所述超材料包括N×N个基本单元，N为非零正整数，N×N个基本单元采用方形矩阵排列在一个平面上。
6.根据权利要求5所述的具有极化可重构特性的反射式基本单元组成的超材料，其特征在于：所述超材料的基本单元共有2种基本单元状态；通过可编程门阵列FPGA控制基本单元中的Pin二极管(6)导通和截止状态，得到对于每一个基本单元在正入射的线极化电磁波的照射下独立地产生2种数字态响应，2种数字态响应对应2种极化状态，2种数字态响应得到2个不同极化的数字态编码，2个不同极化数字态编码对应2种基本单元的表层调控pin二极管(6)的导通和截止状态；通过排列不同的编码序列，实现了对反射光束极化的灵活控制。
7.根据权利要求6所述的具有极化可重构特性的反射式基本单元组成的超材料，其特征在于：2个不同极化的数字态编码分别为“0”、“1”，其分别表示正入射线极化电磁波下的反射极化为共极化或交叉极化。
8.根据权利要求6所述的具有极化可重构特性的反射式基本单元组成的超材料，其特征在于：所述2个不同极化的数字态编码“0”、“1”对应2种数字态响应，所述2种数字态响应分别对应的两种反射极化状态为共极化、交叉极化。
9.根据权利要求6所述的具有极化可重构特性的反射式基本单元组成的超材料，其特征在于：2种基本单元的工作状态中，“0”对应表层调控pin二极管(6)的工作状态为截止，“1”对应表层调控pin二极管(6)的工作状态为导通。
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