CN112117548A - 一种具有幅频调制功能的超表面单元、超材料以及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有幅频调制功能的超表面单元、超材料以及应用方法，在现场可编程门阵列的控制下，可以对各个单元的二极管状态进行切换，实现不同的幅频响应。本发明根据三种单元不同的幅度响应，通过选择不同的基本单元设计相应的编码单元阵列，可以灵活设计超表面阵列的整体幅频响应，针对相同能量大小的垂直入射电磁波，不同的编码单元序列可以在不同频率下产生不同的辐射幅度。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种具有幅频调制功能的超表面单元。
背景技术
在过去的几十年里，超材料由于其特殊的电磁特性，引起了人们对其研究的极大兴趣。超材料是具有亚波长大小的人工结构，其电磁特性来自于其组成单元的几何形状。基于这一概念，许多新的应用被提出，包括完美透镜，超透镜，隐身衣和完美吸收等。超表面作为人工结构，不仅继承了上述优势，而且克服了超材料制作困难、集成度高、损耗大等问题。为了更简洁地操纵电磁波，提出了数字编码超表面的概念。在这种框架下，传统的电磁特性，如振幅和相位，可以简单地用“0”、“1”二进制代码来表征，这使得直接调制成为可能。与传统的空间编码不同，还提出了一种频率编码超表面，在不改变空间编码模式的情况下，实现对不同频率电磁波的不同控制。这样，在物理世界和数字世界之间架起了一座桥梁。
随着超表面技术的发展，人们渴望从多角度对电磁波进行调节。超表面幅频调制器的概念也受到了广泛的关注。与传统幅频调制器相比，超材料幅频调制具有许多优点，其低剖面和简单的制作工艺使其明显优于传统的幅频调制器。一种宽带幅频调制器被提出，通过在微流控通道中注入液态金属共晶镓铟合金来切换工作频带。此外，还有一种方法是将有源器件集成到超材料单元中，比如通过改变二极管的通断状态可以实现不同频率的共振。有研究人员提出了一种利用PIN二极管改变顶部谐振器件与接地面之间距离的宽频幅频调制器。然而，上述所提到的幅频调制工作仅具有有限的调节功能，局限于整体控制。我们认为，本文提出的灵活幅频调制方法在通信系统中具有潜在的应用前景。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有幅频调制功能的超表面单元，通过改变两个PIN二极管的工作状态来实现幅频调制功能，通过设计特定的数字编码序列来实现不同的幅频效果。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种具有幅频调制功能的超表面单元，该超表面单元包括表层幅频调制金属结构层(1)、介质板层(2)和底层金属层(3)，所述表层幅频调制金属结构层(1)贴附于介质板层(2)上表面，底层金属层(3)贴附于介质板层(2)下表面，其中，所述表层幅频调制金属结构层(1)包括开口环状金属一(4)、开口环状金属二(5)、开口环状金属三(6)、一号PIN二极管(8)、二号PIN二极管(7)、两条馈线(9)、两个金属通孔(10)、渐变馈线(12)、吸波器芯片(11)；所述底层金属层(3)包括接地金属面(14)、两条馈线(13)，两条馈线(13)平行于x轴，一端分别与底层金属层(3)竖直方向的两条边垂直连接，另一端上分别设置有金属通孔；
所述表层幅频调制金属结构层(1)中的三个开口环状金属层层嵌套，开口方向沿Y轴负方向，并且环状金属层与层之间具有一定间隔；开口环状金属一(4)内部嵌套着开口环状金属二(5)，并在中间间隔处通过二号PIN二极管(7)连接，开口环状金属二(5)内部嵌套开口环状金属三(6)，并在中间间隔处通过一号PIN二极管(8)连接；两条馈线(9)分别位于开口环状金属一(4)的左右两侧，开口环状金属一(4)通过两条馈线(9)分别与介质板层(2)竖直方向的两条边垂直连接；
所述开口环状金属二(5)上设置有两个金属通孔(10)，其分别位于开口环状金属二(5)的左右两侧，开口环状金属二(5)通过两个金属通孔(10)与两条馈线(13)上的两个金属通孔相连；开口环状金属三(6)的开口部分引出一条渐变馈线(12)，并且渐变馈线(12)的底部与吸波器芯片(11)连接。
进一步的，三个层层嵌套的开口环状金属之间的间隔宽度一致。
进一步的，所述接地金属面(14)在背面馈线(13)处镂空，馈线(13)未和接地金属面(14)接触。
进一步的，所述介质板层(2)和底层金属层(3)的边长为基本单元的周期长度b。
本发明还提出一种根据上述具有幅频调制功能的超表面单元组成的超材料，所述超材料由M个所述基本单元排列而成，并且所述M个基本单元的种类为任意类型，所述基本单元的种类通过二极管状态表征。
本发明还提出一种基于所述超材料的应用方法，使用所述超材料表面对入射电磁波进行幅频调控。
进一步的，所述基本单元的周期长度b均为29.5-30.5mm；介质板层的厚度均为1.5-1.7mm，介质板的介电常数均为4.2-4.4，损耗角正切均为0.024-0.026。一号金属贴片的尺寸长度分别为：W1均为19.9-20.1mm，L1均为20-20.2mm，L11均为18.7-18.9mm。二号金属贴片的尺寸长度分别为：W2均为15.1-15.3mm，L2均为17.9-18.1mm，L22均为12.9-13.1mm。三号金属贴片的尺寸长度分别为：W3均为11.4-11.6mm，L3均为10.1-10.3mm，sx均为3.9-4.1mm，sy均为5.9-6.1mm。
优选的，所述基本单元的周期长度b均为30mm；介质板层的厚度均为1.6mm。介质板的介电常数均4.3，损耗角正切均为0.025，开口环状金属一的尺寸长度分别为：W1均为20mm，L1均为20.1mm，L11均为18.8mm。开口环状金属二的尺寸长度分别为：W2均为15.2mm，L2均为18mm，L22均为13mm。开口环状金属三的尺寸长度分别为：W3均为11.5mm，L3均为10.2mm，sx均为4mm，sy均为6mm。
本发明还公开了一种具有幅频调制功能的超表面单元组成的超材料，所述超材料由M个所述调控基本单元排列而成。所述排列方式可以是矩阵式排列，也可以单排排列。
根据上述举例的一种具有幅频调制功能的超表面单元，所述基本单元共有3种基本单元状态；通过控制一号和二号PIN二极管的开关状态，得到对于每一个基本单元在垂直入射的电磁波的照射下产生的3种数字态响应；通过控制基本单元的两个PIN管的开或者关，实现对不同频率下的反射幅度的调制；通过排列不同的编码序列，实现了对散射场的灵活控制。
进一步的，调控超表面单元的两个PIN二极管都有开关状态，分别将开状态记为数字“1”，关状态记为数字“0”，根据一号PIN二极管和二号PIN二极管的开关状态，就可以对状态进行编码。这里讨论的3种数字态编码就分别为“00”、“10”和“11”，其分别表示两个PIN二极管均关闭的状态，一号PIN二级管打开而二号PIN二极管关闭时的状态，两个二极管均打开时的状态，同时，在这三个状态下，单元的谐振点也是不同的。“00”、“10”和“11”三个状态分别对应单元的谐振点为5.71、4.11和2.99GHz，即在通过不同的数字态编码可以在3个不同的频点实现良好的吸波效果。并且，所述3个数字态编码“00”、“10”和“11”在非对应频点的S11均接近0dB，近乎是全反射状态，实现了三种不同状态下的独立不干涉控制。
进一步的，用于幅频调制的超表面单元数量不仅仅局限于3种，采用多种不同数量的单元以本发明所述方式排列也能获得同样的效果。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
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.本发明通过选择相同的单元来控制超材料单元在不同频率下的反射幅度，通过二极管状态的不同，即不同的编码序列，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(a)(b)(c)，其中单元：1-金属结构层，2-介质板层，3-底层金属层，4-开口环状金属一，5-开口环状金属二，6-开口环状金属三，7-二号PIN二极管，8-一号PIN二极管，9-馈线，10-金属通孔，11-吸波器芯片，12-渐变馈线，13-背面馈线，14-接地金属面；b为介质板层的周期长度，h为介质板层的厚度，L1，W1分别为开口环状金属一的长和宽，L11为开口环状金属一挖去部分的矩形长；L2，W2分别为开口环状金属二的长和宽，L22为开口环状金属二挖去部分的矩形长；L3，W3分别为开口环状金属三的长和宽，sx，sy为开口环状金属三挖去部分的矩形长和宽。
图2是一种具有幅频调制功能的超表面的结构图，h为介质板层的厚度。
图3是一种具有幅频调制功能的超表面单元的结构图和反射波的模拟幅度图。图3(a)是一种具有幅频调制功能的超表面单元的结构图。图3(b)是一种具有幅频调制功能的超表面单元在两个二极管全都打开的情况下的反射波的模拟幅度图。图3(c)是一种具有幅频调制功能的超表面单元在一号二极管打开，二号二极管关闭的情况下的反射波的模拟幅度图。图3(d)是一种具有幅频调制功能的超表面单元在两个二极管全都关闭的情况下的反射波的模拟幅度图。
图4是20×20超表面吸波阵列在三种不同频率下的吸波效果的仿真图。图4(a)、(c)、(e)分别代表3种工作状态，分别代表所有单元的工作状态为“11”、“10”和“00”这3种情况。图4(b)、(d)、(f)分别为在三个对应的谐振频点附近，理想电导体和超表面的雷达散射截面对比。
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、2所示，具有幅频调制功能的超表面单元，其中基本单元包括：金属结构层1、介质板层2和底层金属层3；所述表层幅频调制金属结构层1贴附于介质板层2上表面，底层金属层3贴附于介质板层2下表面，其中，所述表层幅频调制金属结构层1包括开口环状金属一4，开口环状金属二5，开口环状金属三6，一号PIN二极管8，二号PIN二极管7，两条馈线9，两个金属通孔10，一个吸波器芯片11，一条渐变馈线12。底层金属层3包括接地金属面14，两条馈线13和两个金属通孔10。
进一步的，所述基本单元的周期长度b均为29.5-30.5mm；介质板层的厚度均为1.5-1.7mm，介质板的介电常数均为4.2-4.4，损耗角正切均为0.024-0.026。一号金属贴片的尺寸长度分别为：W1均为19.9-20.1mm，L1均为20-20.2mm，L11均为18.7-18.9mm。
二号金属贴片的尺寸长度分别为：W2均为15.1-15.3mm，L2均为17.9-18.1mm，L22均为12.9-13.1mm。三号金属贴片的尺寸长度分别为：W3均为11.4-11.6mm，L3均为10.1-10.3mm，sx均为3.9-4.1mm，sy均为5.9-6.1mm。
作为一个优选方案，所述基本单元的周期长度b均为30mm；介质板层的厚度均为1.6mm。介质板的介电常数均4.3，损耗角正切均为0.025，一号金属贴片的尺寸长度分别为：W1均为20mm，L1均为20.1mm，L11均为18.8mm。二号金属贴片的尺寸长度分别为：W2均为15.2mm，L2均为18mm，L22均为13mm。三号金属贴片的尺寸长度分别为：W3均为11.5mm，L3均为10.2mm，sx均为4mm，sy均为6mm。
如图3所示，展示了一种具有幅频调制功能的超表面单元的结构图和反射波的模拟幅度图。图3(a)是幅频调制的超表面单元的结构图。图3(b)是幅频调制的超表面单元在两个二极管全都打开的情况下的反射波的模拟幅度图，谐振频点为2.99GHz左右，反射幅度约为-32.6dB，此时其他两种状态的反射幅度接近0dB。图3(c)是幅频调制的超表面单元在一号PIN二极管打开，二号PIN二极管关闭的情况下的反射波的模拟幅度图，此时谐振频点在4.11GHz左右，反射幅度约为-25.4dB，此时其他两种状态的反射幅度接近0dB。图3(d)是幅频调制的超表面单元在两个二极管全都关闭的情况下的反射波的模拟幅度图，此时谐振频点约为5.71GHz，反射幅度为-22.4dB，此时其他两种状态的反射幅度接近0dB。通过调控2个二极管的工作状态，可以实现幅频调制的效果。
如图4所示，展示了通过FPGA对每个单元进行独立的控制，实现了阵列在三种不同频率下的吸波效果。使用阵列进行模拟，采用的阵列周期为30mm，单元数量为20*20。图4(a)、(c)、(e)以不同的颜色表示，每一个小格分别代表二极管工作状态为11,10和00的单元。图4(b)、(d)、(f)分别为对应工作状态下的理想电导体和超表面的雷达散射截面对比。图4(b)是所有单元工作状态均为11，且频率为3.01GHz时的理想电导体和超表面的雷达散射截面对比，此时吸波效率大概为36.8dB；图4(d)是所有单元工作状态均为10，且频率为4.12GHz时的理想电导体和超表面的雷达散射截面对比，此时吸波效率大概为21.1dB；图4(f)是所有单元工作状态均为00，且频率为5.74GHz时的理想电导体和超表面的雷达散射截面对比，此时吸波效率大概为21.3dB。
本发明还公开了一种具有幅频调制功能的超表面组成的超材料，所述超材料由M个所述基本单元排列而成。所述排列方式可以是矩阵式排列，也可以单排排列。
所述超材料的基本单元共有3种基本单元状态；通过选择不同的单元状态，得到对于每一个基本单元在垂直入射的电磁波的照射下产生的3种数字态响应，3种单元状态就是3种数字态响应，3种数字态响应得到3个不同反射幅度的数字态编码，3个不同反射幅度的数字态编码对应3种基本单元的二极管的不同状态；通过基本单元二极管状态的不同，实现对反射幅频的调制。通过排列不同的编码序列，实现了对不同频率下反射幅度的灵活控制。
具体地讲，所述超表面单元的3个数字态编码“11”，“10”“00”对应3种数字态响应，所述3种数字态响应分别对应垂直入射电磁波下的谐振频率为2.99GHz,4.11GHz,5.71GHz。3种数字态响应的反射幅度在对应频点下都＜-20dB，而在对应频点的其他状态下，反射幅度都接近0dB。
在本发明中，相同结构的电磁超材料单元，通过改变2个PIN二极管的开关状态，分别有三种数字编码态“11”，“10”“00”单元，对应3种反射状态，通过设计不同的编码矩阵，以实现对于垂直入射的电磁波进行散射场的调控。
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)
1.一种具有幅频调制功能的超表面单元，其特征在于，该超表面单元包括表层幅频调制金属结构层(1)、介质板层(2)和底层金属层(3)，所述表层幅频调制金属结构层(1)贴附于介质板层(2)上表面，底层金属层(3)贴附于介质板层(2)下表面，其中，所述表层幅频调制金属结构层(1)包括开口环状金属一(4)、开口环状金属二(5)、开口环状金属三(6)、一号PIN二极管(8)、二号PIN二极管(7)、两条馈线(9)、两个金属通孔(10)、渐变馈线(12)、吸波器芯片(11)；所述底层金属层(3)包括接地金属面(14)、两条馈线(13)，两条馈线(13)平行于x轴，一端分别与底层金属层(3)竖直方向的两条边垂直连接，另一端上分别设置有金属通孔；
所述表层幅频调制金属结构层(1)中的三个开口环状金属层层嵌套，开口方向沿Y轴负方向，并且环状金属层与层之间具有一定间隔；开口环状金属一(4)内部嵌套着开口环状金属二(5)，并在中间间隔处通过二号PIN二极管(7)连接，开口环状金属二(5)内部嵌套开口环状金属三(6)，并在中间间隔处通过一号PIN二极管(8)连接；两条馈线(9)分别位于开口环状金属一(4)的左右两侧，开口环状金属一(4)通过两条馈线(9)分别与介质板层(2)竖直方向的两条边垂直连接；
所述开口环状金属二(5)上设置有两个金属通孔(10)，其分别位于开口环状金属二(5)的左右两侧，开口环状金属二(5)通过两个金属通孔(10)与两条馈线(13)上的两个金属通孔相连；开口环状金属三(6)的开口部分引出一条渐变馈线(12)，并且渐变馈线(12)的底部与吸波器芯片(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有幅频调制功能的超表面单元，其特征在于，三个层层嵌套的开口环状金属之间的间隔宽度一致。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有幅频调制功能的超表面单元，其特征在于，所述接地金属面(14)在背面馈线(13)处镂空，馈线(13)未和接地金属面(14)接触。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有幅频调制功能的超表面单元，其特征在于，所述介质板层(2)和底层金属层(3)的边长为基本单元的周期长度b。
5.一种根据权利要求1-4任一所述的具有幅频调制功能的超表面单元组成的超材料，其特征在于，所述超材料由M个所述基本单元排列而成，并且所述M个基本单元的种类为任意类型，所述基本单元的种类通过二极管状态表征。
6.一种基于权利要求5所述的超材料的应用方法，其特征在于，使用所述超材料表面对入射电磁波进行幅频调控。
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2020
- 2020-10-09 CN CN202011074381.XA patent/CN112117548B/zh active Active
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