CN111244638A - 一种具有可编程光敏感的反射相位调控单超表面单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有可编程光敏感的反射相位调控单超表面单元，包括依次设置的表层金属结构层、中间介质板层和底层金属地。本发明通过控制基本单元中PIN二极管两端的偏置电压，从而改变其工作状态，进而对反射相位进行调控。并且将光敏电阻与基本单元通过电压控制电路集成，光敏电阻所检测到的光源后，会使二极管两端的电压发生改变，进而二极管的开关状态会相应变化，继而可以控制反射相位，实现了具有可编程光敏感的反射相位调控基本单元。
Description
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可编程光敏感的反射相位调控单超表面单元。
背景技术
超材料具有天然材料所不具备的独特的电磁特性，通过在亚波长范围内对超材料的结构进行人工设计，已获得任意等效的电磁参数，以实现对电磁波的控制。超材料一般为三维结构，因此结构复杂、体积大、损耗高，使其应用受到了限制。因此作为平面结构的超表面逐渐受到广泛关注，将具有特殊结构的超表面单元以二维阵列排布，能够灵活有效地调控相位、幅度、极化方式等，可应用于成像、隐身、通信等诸多领域。把数字态编码引入超表面，将物理超表面与数字信号连接起来，从而又派生出了编码超表面，进一步简化的设计过程。
可编程超表面通过改变单元的状态分布以控制电磁场的特性。大量的可编程超表面基于将二极管嵌入超表面单元，通过二极管的导通和截止状态实现单元数字态的调控，并通过现场可编程门阵列（FPGA）将数字编码实时的赋予超表面。为了扩展超表面的应用，又继而实现了通过热源分布以控制超表面单元的数字态，实现可编程。
然而，现阶段的研究大多集中在利用FPGA等硬件系统来实现可编程，仅有少数的研究关注了利用光照来控制超表面的编码阵列。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种具有可编程光敏感的反射相位调控超表面单元。将光敏电阻与PIN二极管相结合，光敏电阻可感应分布的光源，并反馈给PIN二极管，使其两端偏压发生变化，继而改变二极管的开关状态，实现反射相位的调控。
为了现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有可编程光敏感的反射相位调控单超表面单元，基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层、中间介质板层和底层金属地；表层金属结构层包括第一六边形贴片、第二六边形贴片、第一矩形贴片、第二矩形贴片、第一金属导线、第二金属导线、第三金属导线和第四金属导线，第一六边形贴片的边框与第一矩形贴片的边框相接，第二六边形贴片的边框与第二矩形贴片的边框相接，第一金属导线和第三金属导线分别与第一六边形贴片边框左右边框相接，第二金属导线和第四金属导线分别与第二六边形贴片边框左右边框相接，第一六边形贴片以及第一矩形贴片与第二六边形贴片以及第二矩形贴片上下对称放置，且通过PIN二极管联接。
进一步的，所述基本单元的周期边长a为9-11mm；第一六边形贴片和第二六边形贴片的四条斜边的长度b均为1.23-1.43mm，上下边框的长度c均为1.6-1.8mm，左右边框的长度d均为2.67-2.87mm；第一矩形贴片和第二矩形贴片的宽度e均为0.5-0.7mm，长度f均为0.9-1.1mm；第一矩形贴片和第二矩形贴片之间的间隙g为0.3-0.5mm；第一金属导线、第二金属导线、第三金属导线和第四金属导线的宽度w均为0.09-0.11mm，长度l均为2.9-3.1mm；中间介质板层的厚度h为2.9-3.1mm，介电常数为2.8-3.2，损耗角正切为-0.001-0.005。
优选的，所述基本单元的周期边长a为10mm；第一六边形贴片和第二六边形贴片的四条斜边的长度b均为1.33mm，上下边框的长度c均为1.7mm，左右边框的长度d均为2.77mm；第一矩形贴片和第二矩形贴片的宽度e均为0.6mm，长度f均为1mm；第一矩形贴片和第二矩形贴片之间的间隙g为0.4mm；第一金属导线、第二金属导线、第三金属导线和第四金属导线的宽度w均为0.1mm，长度l均为3mm；中间介质板层的厚度h为3mm。
进一步的，所述具有可编程光敏感的反射相位调控超表面单元有2种基本单元状态；当光敏电阻感应到光照时，会通过电压控制电路直接改变PIN二极管的开关状态，在正入射电磁波的照射下，基本单元可产生2种反射相位响应，并将其编码为2种数字态编码，2种具有不同相位的数字态编码对应2种基本单元的PIN二极管的导通和截止状态。
进一步的，所述2种数字态编码“0”和“1”，分别表示正入射电磁波下相位差为180°的反射相位数字态。
进一步的，2种基本单元的工作状态中，“0”对应PIN二极管（2）的工作状态为截止，“1”对应PIN二极管（2）的工作状态为导通。
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表面进行分析与设计的方案，从数字编码的角度分析和设计超表面，极大的简化了设计过程；
2. 本发明通过利用光敏电阻来控制二极管的偏压，实现了反射相位的控制，且反射效率高。
3.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反面结构示意图；
图3是本发明中基本单元的截面结构示意图；
其中：1-表层金属结构层，11-第一六边形贴片，12-第二六边形贴片，13-第一矩形贴片，14-第二矩形贴片，15-第一金属导线，16-第二金属导线，17-第三金属导线，18-第四金属导线，2-PIN二极管，3-中间介质板层，4-底层金属地；a为基本单元的周期边长；b为六边形贴片斜边的长度，c为六边形贴片的上下边框的长度；d为六边形贴片的左右边框的长度；e为矩形贴片的宽度；f为矩形贴片的长度；g为矩形贴片之间的间隙；w为金属导线的宽度；l为金属导线的长度；h为介质板层的厚度；
图4是本发明中基本单元的性能结构，其中：图4（a）为二极管的RLC模型；图4（b）和（c）是基本单元的反射相位和幅度仿真结果；
图5是本发明中采用的电压控制电路。
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，一种具有可编程光敏感的反射相位调控单超表面单元，基本单元包括自上而下依次设置的表层金属结构层1、中间介质板层3和底层金属地4；表层金属结构层包括第一六边形贴片11、第二六边形贴片12、第一矩形贴片13、第二矩形贴片14、第一金属导线15、第二金属导线16、第三金属导线17和第四金属导线18，第一六边形贴片11的边框与第一矩形贴片13的边框相接，第二六边形贴片12的边框与第二矩形贴片14的边框相接，第一金属导线15和第三金属导线17分别与第一六边形贴片11边框左右边框相接，第二金属导线16和第四金属导线18分别与第二六边形贴片12边框左右边框相接，第一六边形贴片11以及第一矩形贴片13与第二六边形贴片12以及第二矩形贴片14上下对称放置，且通过PIN二极管2联接。
所述基本单元的周期边长a为9-11mm；第一六边形贴片11和第二六边形贴片12的四条斜边的长度b均为1.23-1.43mm，上下边框的长度c均为1.6-1.8mm，左右边框的长度d均为2.67-2.87mm；第一矩形贴片13和第二矩形贴片14的宽度e均为0.5-0.7mm，长度f均为0.9-1.1mm；第一矩形贴片13和第二矩形贴片14之间的间隙g为0.3-0.5mm；第一金属导线15、第二金属导线16、第三金属导线17和第四金属导线18的宽度w均为0.09-0.11mm，长度l均为2.9-3.1mm；中间介质板层3的厚度h为2.9-3.1mm，介电常数为2.8-3.2，损耗角正切为-0.001-0.005。
作为一个优选的方案，所述基本单元的周期边长a为10mm；第一六边形贴片和第二六边形贴片的四条斜边的长度b均为1.33mm，上下边框的长度c均为1.7mm，左右边框的长度d均为2.77mm；第一矩形贴片和第二矩形贴片的宽度e均为0.6mm，长度f均为1mm；第一矩形贴片和第二矩形贴片之间的间隙g为0.4mm；第一金属导线、第二金属导线、第三金属导线和第四金属导线的宽度w均为0.1mm，长度l均为3mm；中间介质板层的厚度h为3mm。
所述具有可编程光敏感的反射相位调控超表面单元有2种基本单元状态；当光敏电阻感应到光照时，会通过电压控制电路直接改变PIN二极管2的开关状态，在正入射电磁波的照射下，基本单元可产生2种反射相位响应，并将其编码为2种数字态编码，2种具有不同相位的数字态编码对应2种基本单元的PIN二极管2的导通和截止状态。
具体而言，所述2种数字态编码“0”和“1”，分别表示正入射电磁波下相位差为180°的反射相位数字态。
具体而言2种基本单元的工作状态中，“0”对应PIN二极管2的工作状态为截止，“1”对应PIN二极管2的工作状态为导通。
如图4所示，在单元仿真中二极管采用RLC模型等效。由图4（b）和4（c）可知，中心频率为5.7GHz时，在正入射电磁波的照射下，两种编码的单元可产生180°的反射相位差，同时二极管导通时的幅度响应为-0.35dB，在截止状态下为-0.85dB，其说明单元能够高效地反射入射波能量。
如图5所示，为了将光敏电阻与二极管偏置电压的控制相关联，在本发明中专门设计了一个电压控制电路。在电压控制电路中，R1为光敏电阻，R2为定值电阻，R1与光电耦合器的输入端相联接。受光照时，R1的阻值发生变化，即光电耦合器输入信号将随之改变。
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 (6)
1.一种具有可编程光敏感的反射相位调控单超表面单元，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）、中间介质板层（3）和底层金属地（4）；表层金属结构层包括第一六边形贴片（11）、第二六边形贴片（12）、第一矩形贴片（13）、第二矩形贴片（14）、第一金属导线（15）、第二金属导线（16）、第三金属导线（17）和第四金属导线（18），第一六边形贴片（11）的边框与第一矩形贴片（13）的边框相接，第二六边形贴片（12）的边框与第二矩形贴片（14）的边框相接，第一金属导线（15）和第三金属导线（17）分别与第一六边形贴片（11）边框左右边框相接，第二金属导线（16）和第四金属导线（18）分别与第二六边形贴片（12）边框左右边框相接，第一六边形贴片（11）以及第一矩形贴片（13）与第二六边形贴片（12）以及第二矩形贴片（14）上下对称放置，且通过PIN二极管（2）联接。
2.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期边长a为9-11mm；第一六边形贴片（11）和第二六边形贴片（12）的四条斜边的长度b均为1.23-1.43mm，上下边框的长度c均为1.6-1.8mm，左右边框的长度d均为2.67-2.87mm；第一矩形贴片（13）和第二矩形贴片（14）的宽度e均为0.5-0.7mm，长度f均为0.9-1.1mm；第一矩形贴片（13）和第二矩形贴片（14）之间的间隙g为0.3-0.5mm；第一金属导线（15）、第二金属导线（16）、第三金属导线（17）和第四金属导线（18）的宽度w均为0.09-0.11mm，长度l均为2.9-3.1mm；中间介质板层（3）的厚度h为2.9-3.1mm，介电常数为2.8-3.2，损耗角正切为-0.001-0.005。
3.根据权利要求1所述的基本单元，其特征在于：所述基本单元的周期边长a为10mm；第一六边形贴片（11）和第二六边形贴片（12）的四条斜边的长度b均为1.33mm，上下边框的长度c均为1.7mm，左右边框的长度d均为2.77mm；第一矩形贴片（13）和第二矩形贴片（14）的宽度e均为0.6mm，长度f均为1mm；第一矩形贴片（13）和第二矩形贴片（14）之间的间隙g为0.4mm；第一金属导线（15）、第二金属导线（16）、第三金属导线（17）和第四金属导线（18）的宽度w均为0.1mm，长度l均为3mm；中间介质板层（3）的厚度h为3mm。
4.根据权利要求1-3所述的基本单元，其特征在于：所述具有可编程光敏感的反射相位调控超表面单元有2种基本单元状态；当光敏电阻感应到光照时，会通过电压控制电路直接改变PIN二极管（2）的开关状态，在正入射电磁波的照射下，基本单元可产生2种反射相位响应，并将其编码为2种数字态编码，2种具有不同相位的数字态编码对应2种基本单元的PIN二极管（2）的导通和截止状态。
5.根据权利要求4所述的一种具有可编程光敏感的反射相位调控超表面单元，其特征在于：所述2种数字态编码“0”和“1”，分别表示正入射电磁波下相位差为180°的反射相位数字态。
6.根据权利要求4所述的一种具有可编程光敏感的反射相位调控超表面单元，其特征在于：2种基本单元的工作状态中，“0”对应PIN二极管（2）的工作状态为截止，“1”对应PIN二极管（2）的工作状态为导通。
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|---|---|---|---|---|
| CN111769365A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-10-13 | 东南大学 | 一种光驱动的可编程电磁超表面及其相位调控方法 |
| CN113067161A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-07-02 | 北京环境特性研究所 | 一种基于幅度调制的宽频带可重构材料 |
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| CN113067161A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-07-02 | 北京环境特性研究所 | 一种基于幅度调制的宽频带可重构材料 |
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