CN112290223B - 一种极化可编程超构表面及宽带动态波束调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极化可编程超构表面及宽带动态波束调控方法，所述极化可编程超构表面包括若干反射型可调超单元结构，反射型可调超单元结构包括介质层、介质层正面的正交十字结构金属贴片、介质层背面的金属反射层，金属反射层底部接金属馈线；每个正交十字结构金属贴片的四臂上、位置相对应处分别形成一个分割带，每个分割带上跨接一个PIN管。四个PIN管均通过正交十字结构金属贴片的中心贯通连接到金属反射层底部的金属馈线，介质层正面也设有金属馈线将相邻两个PIN管的另一端连接。通过控制每一行反射型可调超单元结构对角线方向上的二极管通断，使其在相位差为180度的两种转极化单元之间切换，进而调控相位分布。

Description

一种极化可编程超构表面及宽带动态波束调控方法

技术领域：

本发明涉及人工电磁超材料领域，尤其是涉及一种极化可编程超构表面及宽带动态波束调控方法。

背景技术：

电磁波的极化转换是通过对线极化、圆极化不同形式的入射电磁波进行调整，改变反射电磁波的极化方式形成不同波束形态，以及提升极化转换的效率，一直是天线领域研究的热点。目前线极化转换研究主要集中于点频高极化转换效率，并且单一的介质金属板结构通常存在带宽有限、调控自由度较低等缺陷。

发明内容：

发明目的：为克服上述缺陷，本发明提出一种极化可编程超构表面及宽带动态波束调控方法。本发明引入由亚波长基本单元按周期或非周期结构排列组成的新型人工电磁超表面，其在针对电磁波调控方面具有天然材料不具备的卓越性质，并结合加载射频二极管构成可由电压控制转极化幅度切换的反射型可调超单元结构。在一个周期内，通过电压控制二级管通断实现了反射型可调超单元结构转极化相位差180度的状态切换，在设计的较宽的微波频带内能采用不同的电压加载方式实现全反射、高效转极化、波束角度扫描和多波束调控等功能，在高效多功能控制空间电磁波方面具有极大应用潜力。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：

一种极化可编程超构表面，其特征在于，包括：均匀布设在xy二维平面内的反射型可调超单元结构；所述反射型可调超单元结构包括介质层、介质层正面的正交十字结构金属贴片、介质层背面的金属反射层，金属反射层底部接金属馈线；

每个正交十字结构金属贴片的四臂上、位置相对应处，分别形成一个分割带以将一条金属臂分割为两段，每个分割带上跨接一个PIN管以连接对应的两段金属臂；正交十字结构金属贴片的两条对角线中，一条对角线上的两个PIN管阳极相对，另一条对角线上的两个PIN管阴极相对；四个PIN管均通过正交十字结构金属贴片的中心贯通连接到金属反射层底部的金属馈线，介质层正面也设有金属馈线将相邻两个PIN管的另一端连接。

可选的，所述介质层正面，至少有一对相邻的PIN管之间的金属馈线上串联一个限流电阻。

可选的，所述介质层为FR4介质层。

可选的，所述正交十字结构金属贴片为铜片。

可选的，所述金属反射层底部还设置一层隔离介质层，隔离介质层底部连接金属馈线。

本发明还提出一种宽带动态波束调控方法，该方法基于所述的极化可编程超构表面实现；该方法通过在反射型可调超单元结构正面和背面的金属馈线之间交替施加正负电压，控制反射型可调超单元结构对角线上的两个PIN管交替导通和截止，使同一个反射型可调超单元结构在正负电压下呈现180°相位差的转极化特性。

进一步的，所述方法采用FPGA作为控制器件，通过控制FPGA输出电平控制每一行反射型可调超单元结构对角线方向上的二PIN管通断，使其在相位差为180度的两种转极化特性之间切换，进而调控相位分布；在宽带范围内实现动态波束调控，包括：双波束夹角角度扫描、三波束调控、四波束调控。

进一步的，所述宽带范围为3.5GHz到5GHz频段内。

有益效果：本发明弥补了现有技术的空白，并至少具有以下有益效果：

1、本发明中，电磁超表面由优化后的压控反射型可调超单元结构组成，由FPGA输出不同的电压组合控制单元的排布，便能在一个超表面的基础上实现全反射与高效转极化的切换，并且兼具波束多样调控的功能。该超表面可在3.5到5GHz频段内通过编码实现波束调控，效率及灵活度高，具有良好的工程应用前景。

2、本发明具有结构简单、易于设计、超薄、高对称性等特性，具有巨大应用潜力。

附图说明：

图1为实施例涉及的宽带动态波束调控系统的整体示意图；

图2是实施例涉及的极化可编程超构表面具体通过加载不同偏压实现动态波束调控的馈电方式；

图3(a)为两种PIN管通断情况下构造的0/1单元在频段内的转极化效果，图3(b)为0/1单元的相位差在频段内保持在180度左右的示意图；

图4分别是极化可编程超构表面通过更改0/1单元加载周期实现波束角扫描的仿真结果图；图4(a)为以4排为周期的仿真结果图；图4(b)为以6排为周期的仿真结果图；图4(c)为以10排为周期的仿真结果图；图4(d)为以15排为周期的仿真结果图；

图5是本发明的极化可编程超构表面在3.5GHz时以特定01单元序列排布呈现出的多波束调控仿真测试图，图5(a)为三波束的仿真测试图，图5(b)为四波束的仿真测试图。

具体实施方式：

下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

实施例1：

图1示出了宽带动态波束调控系统，其中包括了一种极化可编程超构表面，包括：均匀布设在xy二维平面内的反射型可调超单元结构。所述xy二维平面是一个正方形平面，反射型可调超单元结构在xy二维平面内均匀排布。所述反射型可调超单元结构包括FR4介质层(介电常数4.3，损耗角正切0.035)、介质层正面的正交十字结构金属贴片、介质层背面的金属反射层，金属反射层底部接金属馈线。本实施例中，正交十字结构金属贴片由铜制成，介质层厚度为3.8mm。正交十字结构金属贴片的两条对角线分别沿着所述xy二维平面的两条对角线方向，即在xy坐标系内，正交十字结构金属贴片的两条对角线，一条是+45°对角线，另一条是-45°对角线。

在每条十字臂上，进行了同样尺寸和位置的切割，切割处连接上可以通过外加偏压调节通断的PIN管。这样通过对角线上两组PIN管的不同控制，可以改变两种状态下十字臂的等效长度，形成两种分别沿+45度和-45度两个方向的镜像对称十字，以激发反射型可调超单元结构的交叉极化模态，实现线极化转换的功能进而实现宽带转极化。通过调节臂长以及PIN管连接处的位置，对反射型可调超单元结构的转极化幅度及相位都可以进行调节，并且通过优化整体结构的各项参数，以达到满足要求的工作带宽及转极化效率。

本实施例采用列馈电方式，为了方便进行列控馈电，在金属反射层的背面加载0.2mm的隔离介质层，再在隔离介质层的底面加上金属馈线。为了得到良好的波束调控效果，减小不同单元之间的耦合造成的相互影响，以多个反射型可调超单元结构构成周期单元再组成整体超表面为宜。组成整板的周期越多、尺寸越大，整板的波束调控效果越好，因此本实施例采用如图1所示的30*30周期单元的大尺寸板。

反射型可调超单元结构的转极化效果是基于在PIN管(型号SMV1405-079LF)两种不同通断情况下所形成的单元，在xy方向上的不对称性激发出的交叉极化模态所形成的转极化功能。两种情况下，分别是同一对角线上两个PIN管导通的同时，另一对角线上两个PIN管断开。为了实现这样的切换功能，本实施例将正45度对角线的PIN管的正负极方向调成一致(外正内负)，相邻的PIN管正负极方向相反，十字单元的中心向下打通至最底层的隔离介质层，连通到隔离介质层底部的金属馈线。同时，四个PIN管的另一端通过介质层表面的金属馈线进行相邻端之间的连接，经过2000欧电阻的限流保护作用后，打通经3.8mm的介质层连至金属反射层作为接地极。这样通过改变金属馈线电极的正向及负向电压，便可以实现单元在正负45度对角线上PIN管导通的切换。

针对所期望实现的极化可编程波束调控功能，图2展示了整板加载不同偏压形成相位差为180度的两种单元的馈电方式，由于采取的是行控制的方式，采用FPGA生成控制编码，通过FPGA控制30行电压的正负电压，形成每行单元不同状态下的转极化效果。

进一步基于编码超材料的概念，1比特编码采用“0”、“1”两种码元，分别代表0°跟180°的反射相位，单元间相位差180°。由这两种单元构成“0”和“1”的二进制数字元素组成的编码超表面，可以通过编码控制相位来获得显著的响应变化，可以获得相当大电磁波调控自由度。编码超材料可以通过0/1元素不同的编码序列来操控电磁波，本发明首先实现波束角度扫描功能，所采用的编码序列为0101……，反射转极化分量形成沿单元切换方向的双波束形态，所形成的双波束夹角由0/1单元在切换排布的周期长度Γ决定，夹角theta可以由公式θ＝arcsin(λ/Γ)计算得出。通过公式可以看出，在工作带宽内随着频率升高，以及切换排布的周期长度越大，双波束的夹角越小。通过外加偏压调控每行单元在0/1状态间切换，在30*30整体尺寸板上形成不同周期长度的0101组合，可以实现对双波束夹角的扫描功能。

基于以上单元设计及调控概念，我们利用商用软件CST对进行单元仿真，采取单元结构周期性边界条件，纵向为开放边界条件。PIN管导通状态下的等效电阻R＝1.5Ω，等效电感L＝0.7nH；断开状态下等效电阻R＝0.8Ω，等效电感L＝0.7nH。仿真结果如图3(a)所示，该单元在两种电压加载状态下均具备在3.68-5.27GHz频段内的宽带转极化效果，由于单元在x、y方向上依然具有一定的对称性，转极化分量在工作频段内能够达到55％的效果，同极化分量保持在10％以下。作为实验验证，加工制作了样品进行了实际的测量，测量结果与仿真结果吻合良好，单元实现了宽带内转极化的功能。进一步测量两种状态下的相位差如图3(b)所示，在频段内始终保持在180度，以此来实现对远场波束的多种调控效果。

为了验证该可编程超表面样品的波束调控效果，我们分别对以4排、6排、10排和15排为周期进行01交替排布的超表面进行了双波束角的理论计算与全波仿真，仿真的波束夹角与公式计算所得基本一致。进一步，通过FPGA实现对实验样品的30行输入电压进行调控后，我们在微波暗室测量环境中对样品的雷达散射截面进行了具体的测试。测试时，发射喇叭天线与接收喇叭天线均连接在可自由调节位置的拱形机械轨道上，由矢量网络分析仪分别接通发射和接收端，测量超表面上半空间的散射场。图4(a)至(c)为以上四种周期排布情况下的远场散射测试图，实验的结果与仿真结果吻合良好。随着排布周期的增加，所形成的双波束夹角也随之减小，该可编程超表面实现了对波束夹角的扫描。

除了01交替排布所形成的双波束调控之外，该超表面还可以通过编程更改单元排布序列来实现如三波束、四波束等多波束调控功能。如图5(a)和图5(b)所示，当单元排布序列为“0000110000”时，超表面的反射散射场沿排布方向呈现出三个波束；排布序列为“0001000111”时，沿排布方向呈现出四个波束，仿真与测量的结果基本吻合，存在一定的实际制作加工以及测量过程中存在的偏差，三四波束的调控更加证明了该极化可编程超表面对远场波束调控的多样性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种极化可编程超构表面，其特征在于，包括：均匀布设在xy二维平面内的反射型可调超单元结构；所述反射型可调超单元结构包括介质层、介质层正面的正交十字结构金属贴片、介质层背面的金属反射层，金属反射层底部接金属馈线；

每个正交十字结构金属贴片的四臂上、位置相对应处，分别形成一个分割带以将一条金属臂分割为两段，每个分割带上跨接一个PIN管以连接对应的两段金属臂；正交十字结构金属贴片的两条对角线中，一条对角线上的两个PIN管阳极相对，另一条对角线上的两个PIN管阴极相对；四个PIN管均通过正交十字结构金属贴片的中心贯通连接到金属反射层底部的金属馈线，介质层正面也设有金属馈线将相邻两个PIN管的另一端连接；所述介质层正面，至少有一对相邻的PIN管之间的金属馈线上串联一个限流电阻；

通过对角线上两组PIN管的不同控制，改变两种状态下十字臂的等效长度，形成两种分别沿+45度和-45度两个方向的镜像对称十字，以激发反射型可调超单元结构的交叉极化模态，实现线极化转换的功能，进而实现宽带转极化；通过调节臂长以及PIN管连接处的位置，对反射型可调超单元结构的转极化幅度及相位都能进行调节，并且通过优化整体结构的各项参数，以达到满足要求的工作带宽及转极化效率；

采取行控制的方式，通过FPGA控制行电压的正负电压，形成每行单元不同状态下的转极化效果。

2.根据权利要求1所述的一种极化可编程超构表面，其特征在于，所述介质层为FR4介质层。

3.根据权利要求1所述的一种极化可编程超构表面，其特征在于，所述正交十字结构金属贴片为铜片。

4.根据权利要求1所述的一种极化可编程超构表面，其特征在于，所述金属反射层底部还设置一层隔离介质层，隔离介质层底部连接金属馈线。

5.一种根据权利要求1-4之一所述极化可编程超构表面进行宽带动态波束调控方法，其特征在于，通过在反射型可调超单元结构正面和背面的金属馈线之间交替施加正负电压，控制反射型可调超单元结构对角线上的两个PIN管交替导通和截止，使同一个反射型可调超单元结构在正负电压下呈现180°相位差的转极化特性；

所述方法采用FPGA作为控制器件，通过控制FPGA输出电平控制每一行反射型可调超单元结构对角线方向上的二PIN管通断，使其在相位差为180度的两种转极化特性之间切换，进而调控相位分布；在宽带范围内实现动态波束调控，包括双波束夹角角度扫描、三波束调控或四波束调控。

6.根据权利要求5所述极化可编程超构表面进行宽带动态波束调控方法，其特征在于，所述宽带范围为3.5 GHz到5 GHz频段内。

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