CN113067163B - 一种全空间可编程数字编码超材料及其控制方法 - Google Patents

一种全空间可编程数字编码超材料及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种全空间可编程数字编码超材料及其控制方法，所述编码超材料是由多个单元构成，通过控制加载在单元顶层和底层的二极管工作状态实现同时对透射和反射电磁波的独立调控，且反射波和透射波的调控相互独立。当不同极化的电磁波入射到超材料单元上，单元可以对反射或透射的电磁波做出有效调控，实现了超材料对全空间电磁波的有效控制。本发明中提出的可编程全空间数字编码超材料具有良好的极化隔离度，可以确保超表面在反射空间和透射空间同时实现不同的电磁功能，在无线通信、雷达、成像、信号处理等领域都有重要的应用前景。

Description

一种全空间可编程数字编码超材料及其控制方法
技术领域
本发明是一种全空间可编程数字编码超材料属于天线技术领域和新型人工电磁超材料领域。
背景技术
超材料，有时也称新型人工电磁材料、新型人工电磁媒质、特异介质等，英文名Metamaterials，拉丁语“meta-”表达有“超出”之意。超材料就是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期性或非周期性排列，使其具有天然材料所不具备的超常电磁特性的人工复合结构或人工复合材料。由于电磁超材料可以实现对电磁波灵活的调控，电磁超材料在电磁隐身方面展现出了极大的应用价值，受到国内外军事领域的广泛关注。近几年来，全空间电磁超材料及超表面作为超材料重点研究分支之一，在实现电磁波的多功能应用方面有极大的应用价值。
崔铁军教授课题组在2014年实现了一种1比特反射式可编程数字单元。将开关二极管放置在编码单元内，通过控制其偏置电压，该单元的相位响应便可实时地在“0”状态和“1”状态之间变换。此时的数字编码超表面已不再是一个功能固化的器件，利用现场可编程门阵列(FPGA)实时控制编码图样，调控远场辐射完成不同功能。当可编程数字超表面上每一个单元的数字状态都可实时调控时，能够实现单波束、双波束、多波束及随机反射等任意辐射图样的实时可重构，其功能和性能类似于相控阵雷达，但造价和设计难度均显著降低。
全空间电磁超表面是在二维形式下的超材料，通常是由周期或非周期的二维亚波长结构单元阵列组成。与普通的电磁超表面相比，全空间电磁超表面可以同时调控超表面上亚波长结构单元的反射和透射的相位空间分布，从而实现对透射和反射电磁波的波阵面，极化方式，传播方向的自由调控。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种全空间可编程数字编码超材料及其控制方法，构成超材料的基本单元具有同时独立调节透射和反射相位的能力，能够同时控制透射和反射相位响应，为电磁波的调控提供的更大的自由度，推动了全空间可编程电磁超材料的发展。
技术方案：本发明的一种全空间可编程数字编码超材料由N×M个基本单元周期排列构成,N为超材料沿X轴方向单元个数，M为超材料沿Y轴方向单元个数，每个基本单元由依次堆叠有第一金属层、第一介质层、第二介质层、第二金属层、第三金属层构成；第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔穿过第一介质层、第二介质层、第二金属层，第一金属层沿Y方向有第一金属通孔和第三金属通孔，两个金属通孔与第一金属层之间分别焊接第一透射二极管和隔离电容；第一金属层沿X轴正方向有第二金属通孔，该第二金属通孔与第一金属层之间焊接反射二极管。第一馈线连接第一金属层，第二馈线连接第三金属层。
其中：
所述基本单元周期为15mm，第一介质层的厚度为1.5mm，第二介质层(6)的厚度为1.5mm，这两个介质层的介电常数均为2.65，正切损耗角为0.001。
所述基本单元的第一金属层为矩形金属片，第一金属层沿X轴负方向连接第一馈线，第一馈线上加载控制电压来控制反射二极管的工作状态。
所述第二金属层位于第一介质层与第二介质层之间，作为金属地平面用来反射X极化的入射电磁波，Y轴方向第一金属通孔和第三金属通孔不与第二金属层连接，而X轴方向第二金属通孔与第二金属层连接。
所述第三金属层为矩形金属片，第三金属层大小与第一金属层相同，第三金属层沿Y轴正方向有第一金属通孔，该第一金属通孔与第三金属层之间焊接第二透射二极管，第三金属层与Y轴负方向通孔通过金属线直接连接第三金属通孔，第三金属层沿X轴负方向与第二馈线相连接。
本发明所述的全空间可编程数字编码超材料的控制方法为：所述基本单元上沿X轴正方向的反射二极管工作状态时，X极化的反射电磁波的相位会随反射二极管工作状态变化进行切换，反射相位差约为180度；当切换单元上沿Y轴正方向的第一透射二极管和第二透射二极管工作状态时，Y极化的反射电磁波的相位会随第一透射二极管和第二透射二极管的工作状态变化进行切换，透射相位差约为180度；第一透射二极管和第二透射二极管为串联连接，工作状态相同。
所述基本单元上沿X轴正方向的反射二极管工作状态为ON或OFF时，定义单元反射编码为1或0，当单元上沿Y轴正方向的第一透射二极管和第二透射二极管工作状态为ON或OFF时，定义单元透射编码为1’或0’，反射编码与透射编码相互独立，可同时进行编码设计。
所述可编程数字编码超材料相位分布设计标准为：
Figure BDA0003000432020000031
式中：其中i,j为单元在超材料平面序号，i＝1,2…N,j＝1,2…M,N为超材料沿X轴方向单元个数，M为超材料沿Y轴方向单元个数，xij和yij为第i,j个单元的坐标信息，
Figure BDA0003000432020000032
和θ为波束方向水平和俯仰角度，F＝240mm。
所述可编程数字编码超材料的激励源距超材料表面的距离为F＝240mm，将所得的反射相位分布和透射相位分布离散化为1比特相位分布，根据反射和透射编码规则，可得到反射与透射编码方案，从而操控反射区域和透射区域电磁波。
所述可编程数字编码超材料的反射和透射编码转态由现场可编程门阵列FPGA控制，所有编码方案可以实时更改和调控。
有益效果：本发明提出了一种全空间可编程数字编码超材料，构成超材料的基本单元具有同时独立调节透射和反射相位的能力。当入射电磁波为Y极化时，透射电磁波相位响应可以通过透射二极管的工作状态进行调制；当入射电磁波为X极化时，反射电磁波相位响应可以通过反射二极管的工作状态进行调制；并且透射和反射的相位响应相互独立，具有良好的极化隔离度。本发明提出的一种全空间可编程数字编码超材料为全空间电磁波的操控提供了巨大突破，与现有的可编程电磁超材料相比，本发明能够同时控制透射和反射相位响应，为电磁波的调控提供的更大的自由度，推动了全空间可编程电磁超材料的发展。
附图说明
图1是基本单元顶层视图；
图2是基本单元底层视图；
图中有：第一透射二极管1、反射二极管2、隔离电容3、第一金属层4、第一介质层5、第二介质层6、第二金属层7、第三金属层8、第二透射二极管9、第一金属通孔10、第二金属通孔11、第三金属通孔12，第一馈线13和第二馈线14。
图3为单元的仿真结果；其中，(a)和(b)透射系数幅度相位与透射二极管工作状态的关系；(c)和(d)反射系数幅度相位与反射二极管工作状态的关系；
图4为全空间可编程数字编码超材料工作原理示意图，在反射空间和透射空间分别形成双波束，当入射电磁波为斜45度线极化电磁波时，反射和透射波束可以同时被激励。
图5为全空间可编程数字编码超材料的反射和透射编码方案。
图6为全空间可编程数字编码超材料的仿真远场方向图，入射频率为11GHz。其中左边为透射仿真三维方向图；右边为反射仿真三维方向图。
图7为超材料测试远场方向图，(a)为X极化入射波，反射测试二维方向图(b)为Y极化入射波，透射测试二维方向图(c)为斜45度极化入射波，反射和透射测试二维方向图。
具体实施方式
本发明的目的一种全空间可编程数字编码超材料由N×M个基本单元周期排列构成,N为超材料沿X轴方向单元个数，M为超材料沿Y轴方向单元个数，N和M可取大于等于10的任意正整数。每个基本单元由依次堆叠有第一金属层4、第一介质层5、第二介质层6、第二金属层7、第三金属层8构成；第一金属通孔10、第二金属通孔11、第三金属通孔12穿过第一介质层5、第二介质层6、第二金属层7，第一金属层4沿Y方向有第一金属通孔10和第三金属通孔12，两个金属通孔与第一金属层4之间分别焊接第一透射二极管1和隔离电容3；第一金属层4沿X轴正方向有第二金属通孔11，该第二金属通孔11与第一金属层4之间焊接反射二极管2；第一馈线13连接第一金属层4，第二馈线14连接第三金属层8。
基本单元结构周期为15mm，第一介质层5的厚度为1.5mm，第二介质层(6)的厚度为1.5mm，这两个介质层的介电常数均为2.65，正切损耗角为0.001。
基本单元的第一金属层4为矩形金属片。金属片4沿Y方向有两个金属通孔，两个通孔与金属片4之间分别焊接透射二极管1和隔离电容3。金属片4沿X轴正方向有一个金属通孔，该通孔与金属片之间焊接反射二极管2。金属片4沿X轴负方向连接第一馈线13，第一馈线13上加载控制电压来控制反射二极管12的工作状态。
第二金属层7作为金属地平面用来反射X极化的入射电磁波，Y轴方向第一金属通孔10和第三金属通孔12不与金属层7连接，而X轴方向第二金属通孔11与金属层7连接。
第三金属层8为矩形金属片，金属片大小与金属层4相同。金属层8沿Y轴正方向有一个金属通孔，该通孔与金属片之间焊接透射二极管9，金属片8与Y轴负方向通孔通过金属线直接连接。金属层8沿X轴负方向与馈线相连接。
当切换单元上沿X轴正方向的反射二极管2工作状态时，X极化的反射电磁波的相位会随反射二极管2工作状态变化进行切换，反射相位差约为180度。当切换单元上沿Y轴正方向的第一透射二极管1和第二透射二极管9工作状态时，Y极化的反射电磁波的相位会随第一透射二极管1和第二透射二极管9的工作状态变化进行切换，透射相位差约为180度。第一透射二极管1和第二透射二极管9为串联连接，工作状态相同。
当单元上沿X轴正方向的反射二极管2工作状态为ON或OFF时，定义单元反射编码为1或0。当单元上沿Y轴正方向的第一透射二极管1和第二透射二极管9工作状态为ON或OFF时，定义单元透射编码为1’或0’。反射编码与透射编码相互独立，可同时进行编码设计。
所述可编程编码超材料相位分布设计标准为：
Figure BDA0003000432020000051
式中：其中i,j为单元在超材料平面序号，i＝1,2…N,j＝1,2…M,N为超材料沿X轴方向单元个数，M为超材料沿Y轴方向单元个数，xij和yij为第(i,j)个单元的坐标信息，
Figure BDA0003000432020000052
和θ为波束方向水平和俯仰角度，F＝240mm。
所述编码超材料的馈源距超材料表面240mm，将所得的反射相位分布和透射相位分布离散化为1比特相位分布，根据反射和透射编码规则，可得到反射与透射编码方案，从而操控反射区域和透射区域电磁波。
所述编码超材料的反射和透射编码转态由FPGA控制，所有编码方案可以实时更改和调控。
下面结合附图，对本发明提出的一种全空间可编程数字编码超材料进行详细说明：首先设计全空间幅度相位独立可调的单元。用CST MWS电磁仿真软件仿真该可编程单元，在X极化和Y极化入射波的情况下，分别仿真得到传输和反射系数相位幅度与透射二极管和反射二极管的变化关系。
Figure BDA0003000432020000061
式中：其中i,j为超材料平面上单元的二维序号，i＝1,2…N,j＝1,2…M,N为超材料沿X轴方向单元个数，M为超材料沿Y轴方向单元个数，xij和yij为第(i,j)个单元的坐标信息，
Figure BDA0003000432020000062
和θ为波束方向水平和俯仰角度，F＝240mm。
在11GHz频率下计算出入射波到达每一个单元时的透射和反射相位分布，根据此式得到的透射和反射相位可以在透射和反射空间形成远场波束，远场波束的偏折角度和波束个数均可独立控制，在本发明中F＝240mm，在反射和透射空间均形成2个波束对称地分散在X轴上。在图7中可以明显的观察到，仿真结果与设计良好吻合。
得益于透射二极管和反射二极管的偏执电路设计，透射二极管的工作状态不会影响反射二极管的工作作态，因此可以得到独立的反射相位和透射相位调控。所以反射编码方案和透射编码方案相互独立。超材料上的所有二极管的偏置电压受FPGA控制，因此，可以通过FPGA实时切换透射和反射编码方案。
如图7(a)所示，给出了由20×10个基本单元构成的超材料样本在反射空间测试的远场方向图结果，其中F＝240mm，测试结果与仿真结果吻合良好。
如图7(b)所示，给出了由20×10个基本单元构成的超材料样本在透射空间测试的远场方向图结果，其中F＝240mm，测试结果与仿真结果吻合良好。

Claims (10)

1.一种全空间可编程数字编码超材料，其特征在于：由N×M个基本单元周期排列构成,N为超材料沿X轴方向单元个数，M为超材料沿Y轴方向单元个数，每个基本单元由依次堆叠的第一金属层(4)、第一介质层(5)、第二金属层(7)、第二介质层(6)、第三金属层(8)构成；第一金属通孔(10)、第二金属通孔(11)、第三金属通孔(12)穿过第一介质层(5)、第二介质层(6)、第二金属层(7)，第一金属层(4)沿Y方向有第一金属通孔(10)和第三金属通孔(12)，两个金属通孔与第一金属层(4)之间分别焊接第一透射二极管(1)和隔离电容(3)；第一金属层(4)沿X轴正方向有第二金属通孔(11)，该第二金属通孔(11)与第一金属层(4)之间焊接反射二极管(2)；第一馈线(13)连接第一金属层(4)，第二馈线(14)连接第三金属层(8)。
2.根据权利要求1所述的全空间可编程数字编码超材料，其特征在于：所述基本单元周期为15mm，第一介质层(5)的厚度为1.5mm，第二介质层(6)的厚度为1.5mm，这两个介质层的介电常数均为2.65，正切损耗角为0.001。
3.根据权利要求1所述的全空间可编程数字编码超材料，其特征在于：所述基本单元的第一金属层(4)为矩形金属片，第一金属层(4)沿X轴负方向连接第一馈线(13)，第一馈线(13)上加载控制电压来控制反射二极管(2)的工作状态。
4.根据权利要求1所述的全空间可编程数字编码超材料，其特征在于：所述第二金属层(7)位于第一介质层(5)与第二介质层(6)之间，作为金属地平面用来反射X极化的入射电磁波，Y轴方向第一金属通孔(10)和第三金属通孔(12)不与第二金属层(7)连接，而X轴方向第二金属通孔(11)与第二金属层(7)连接。
5.根据权利要求1所述的全空间可编程数字编码超材料，其特征在于：所述第三金属层(8)为矩形金属片，第三金属层(8)大小与第一金属层(4)相同，第三金属层(8)沿Y轴正方向有第一金属通孔(10)，该第一金属通孔(10)与第三金属层(8)之间焊接第二透射二极管(9)，第三金属层(8)与Y轴负方向通孔通过金属线直接连接第三金属通孔(12)，第三金属层(8)沿X轴负方向与第二馈线(14)相连接。
6.一种如权利要求1所述的全空间可编程数字编码超材料的控制方法，其特征在于：所述基本单元上沿X轴正方向的反射二极管(2)工作状态时，X极化的反射电磁波的相位会随反射二极管(2)工作状态变化进行切换，反射相位差约为180度；当切换单元上沿Y轴正方向的第一透射二极管(1)和第二透射二极管(9)工作状态时，Y极化的反射电磁波的相位会随第一透射二极管(1)和第二透射二极管(9)的工作状态变化进行切换，透射相位差约为180度；第一透射二极管(1)和第二透射二极管(9)为串联连接，工作状态相同。
7.根据权利要求6所述的全空间可编程数字编码超材料的控制方法，其特征在于：所述基本单元上沿X轴正方向的反射二极管(2)工作状态为ON或OFF时，定义单元反射编码为1或0，当单元上沿Y轴正方向的第一透射二极管(1)和第二透射二极管(9)工作状态为ON或OFF时，定义单元透射编码为1’或0’，反射编码与透射编码相互独立，可同时进行编码设计。
8.根据权利要求1所述的全空间可编程数字编码超材料的控制方法，其特征在于：所述可编程数字编码超材料相位分布设计标准为：
Figure FDA0003000432010000021
式中：其中i,j为单元在超材料平面序号，i＝1,2…N,j＝1,2…M,N为超材料沿X轴方向单元个数，M为超材料沿Y轴方向单元个数，xij和yij为第i,j个单元的坐标信息，
Figure FDA0003000432010000022
和θ为波束方向水平和俯仰角度，F＝240mm。
9.根据权利要求8所述的全空间可编程数字编码超材料的控制方法，其特征在于：所述可编程数字编码超材料的激励源距超材料表面的距离为F＝240mm，将所得的反射相位分布和透射相位分布离散化为1比特相位分布，根据反射和透射编码规则，可得到反射与透射编码方案，从而操控反射区域和透射区域电磁波。
10.根据权利要求7所述的全空间可编程数字编码超材料的控制方法，其特征在于：所述可编程数字编码超材料的反射和透射编码转态由现场可编程门阵列FPGA控制，所有编码方案可以实时更改和调控。
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