CN113670130A - 一种工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，包括一个时间调制反射式超表面，使用智能时变控制系统自适应调节，所述时间调制反射式超表面由控制接口和超表面单元阵列排布组成，每个超表面单元从上到下依次包括上层金属图案及连接的变容二极管、介质基板和金属地，金属图案由一个方形的铜片和围绕方形铜片的四个相同的梯形铜片组成，在方形和梯形铜片的四个间隙中集成四个相同的变容二极管；所述智能时变控制系统由速度传感器、微控制单元、计算机和任意波形发生器组成，在算法的控制下，实时检测运动速度并为超表面提供相应的控制信号。本发明具有较高的自适应性，可以在不受人为控制的情况下实时隐藏运动系统中产生的多普勒效应。

Description

一种工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣
技术领域
本发明涉及一种工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣。
背景技术
隐身一直是电磁超材料领域的研究热点。在过去十几年中，应用超材料已在实验中验证了多种隐身器件，可对光波、微波以及声波等进行有效隐身。随着超表面的出现和发展，隐身器件已从最初的三维被动版本发展演进到如今的超薄甚至是可重构和可编程形式，在众多领域中应用潜力巨大。然而，在之前的隐身方案设计中，隐身器件几乎均是在空间域中构造和实现的，仅用于引导电磁波在空间中的传播，因此它们只能用于隐藏不涉及动量变化的静止物体。多普勒效应是一种人们所熟知的频移现象，每当源和观察者彼此靠近或远离时都会发生这种现象。因此，由于运动引起的多普勒频移，已有的时不变稳态隐身衣在发生运动时将变的可被探测，从而导致隐身失效。此外，当前的隐身衣通常是无源被动的，或者需要手动操作才能实现动态隐形。为了解决上述问题，研制一种具有智能特性的多普勒隐身衣非常必要。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种工作在宽频带全极化的可以用来实时抵抗多普勒频移的智能多普勒隐身衣。
技术方案：一种工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，包括一个时间调制反射式超表面，使用智能时变控制系统进行控制；所述时间调制反射式超表面包括n×n个超表面单元阵列排布组成；在电磁波照射下，所述智能时变控制系统用于根据所述智能多普勒隐身衣覆盖的目标的运动速度大小输出相应的时序控制信号，在一个周期内控制所述时间调制反射式超表面的反射相位有序变化，从而实现电磁波的频率偏移来抵消运动目标固有的多普勒频移。
进一步的，所述超表面单元由上至下依次包括金属图案层、介质基板和金属地；所述金属图案层包括方形铜片、四个相同的梯形铜片和四个相同变容二极管，其中，方形铜片位于中心，四个相同的梯形铜片沿x方向和y方向对称排布在方形铜片四周，相邻的梯形铜片相互连接，且每个梯形铜片分别通过一个变容二极管与方形铜片相连；方形铜片经过金属化通孔连接到金属地。
进一步的，所述梯形铜片的上底与方形铜片的边平行，并使用变容二极管连接。
进一步的，所述时间调制反射式超表面中，同一行的超表面单元通过x方向的梯形铜片串联起来；同一列的超表面单元通过y方向的梯形铜片串联起来，从而将阵列中的所有梯形铜片都连接了起来，然后将阵列边缘的梯形铜片连接到控制接口，通过所述控制接口为变容二极管提供偏置电压，控制超表面单元的状态。
进一步的，所述介质基板材料为F4B，介电常数2.65，损耗角正切0.001。
进一步的，所述智能时变控制系统包括速度传感器、微控制单元和任意波形发生器；所述速度传感器用于检测目标的运动速度，并发送到微控制单元；所述微控制单元用于指示任意波形发生器产生具有相应频率的调制信号，用来驱动所述时间调制反射式超表面。
进一步的，在一个调制周期T m内使得所述时间调制反射式超表面的反射相位产生连续线性变化，入射频率f i被转化为一个新的频率分量f r进行反射，从而产生频移Δf t=f r-f i，并使频移Δf t抵消运动目标固有的多普勒频移Δf D。
有益效果：现有的隐身器件只是在空间域中进行构造和实现的，仅用于引导电磁波在空间中的传播，因此它们只能用于隐藏不涉及动量变化的静止物体。由于运动引起的多普勒频移，已有的时不变稳态隐身衣在发生运动时将变的可被探测，从而导致隐身失效。近年来，人们提出了多普勒隐身斗篷的概念，通过补偿多普勒频移来隐藏运动物体的运动速度。然而，这种超材料驱动的多普勒隐身斗篷需要对材料参数（如介电常数）进行时空调制，这是很难实现的，因此没有实验验证。另外，当前的隐身衣通常是无源被动的，需要人工参与来控制多普勒隐身斗篷，在快速变化的移动系统中非常不方便和不实用。
本发明中的智能多普勒隐身衣能够在不需要人工干预的情况下，通过感知不同的速度变化，自适应地补偿不同的多普勒频移，从而始终隐藏运动物体的真实运动状态。重要的是，对于任意极化的入射波，可以在宽频带内成功地实现多普勒隐身效应，更加实用。由于超表面单元的数量和排列方式可以人工选择，因此可以通过自定义超表面单元的大小和形状来隐藏不同的运动物体，具有较高的可设计性和很强的可扩展性。与传统的空间隐身技术和基于相位补偿的隐身斗篷不同，本发明提出了在时域设计智能隐身斗篷的概念，并提供了实际的路线。
本发明不仅突出了在时变系统中制造隐形斗篷的可能性，而且将隐形研究推向了智能化甚至认知化的阶段。这在智能伪装系统、多普勒雷达、传感器、卫星通信和车辆互联网上可能会有很好的应用前景。提出了可编程超表面与时变控制系统相结合的概念，为电磁波的时域智能操纵开辟一条道路。
附图说明
图1为本发明智能多普勒频移隐身衣结构示意图；
图2是本发明宽带全极化时间调制反射式可编程超表面的实物图；
图3是本发明超表面单元的结构示意图；
图4是本发明实施例中超表面单元在不同极化和不同电容值下的反射相位和幅值随频率变化的仿真曲线；
图5是本发明实施例中超表面样品在几个不同工作频点处的反射相位随外部偏压变化的测试曲线；
图6是本发明实施例中智能多普勒隐身衣在不同极化波照射下的反射频谱分布测量结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明设计了一种宽带全极化的超表面单元，该超表面单元具有特殊设计的金属图案，集成了四个变容二级管，通过施加偏置电压，调节变容二级管的电容值，在宽频带上实现大的反射相位差变化。为了获得时间调制反射式超表面并实现多个复杂电磁功能，使用n×n个超表面单元进行组阵，该阵列中每个超表面单元尺寸相同。
利用上述时间调制反射式超表面和一个自适应时变控制系统组成了智能多普勒隐身衣，超薄的时域超表面覆盖在小车前方的探测区域，由具有特定波形和频率的调制信号控制。在电磁波照射下，它能够产生一个频移Δf t来抵消运动目标固有的多普勒频移Δf D。此外，通过改变控制信号的调制频率，可以控制频移Δf t的大小。
为了自适应提供所需的调制信号，设计了一个具有“传感-反馈-自我决策”工作机制的智能控制系统。其工作过程为：速度传感器检测小车的运动速度，然后将速度信息发送至微控制单元；微控制单元指示任意波形发生器产生相应频率的调制信号来驱动超表面。在这种自适应控制方式下，实现的智能多普勒隐身衣能够自动地提供所需的频率偏移Δf t，以补偿与可变速度v t相关的不同多普勒频移Δf D，进而始终隐藏目标的运动状态。
本发明工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，包括一个时间调制反射式超表面，使用智能时变控制系统进行自适应调节。时间调制反射式超表面在电磁波照射下，当调制波形可以在一个调制周期T m内使得超表面的反射相位产生连续线性变化，入射频率f i将被有效地转化为一个新的频率分量f r进行反射，从而产生频移Δf t=f r-f i，超表面的线性变化反射相位φ(t)=2πΔf tt。使用雷达测速最终检测到的频率f d=f 0+Δf D+Δf t，其中f 0是雷达的源频率（f 0=f i），Δf D是运动引起的多普勒频移。智能时变控制系统包括速度传感器、微控制单元和任意波形发生器，速度传感器检测小车的运动速度，然后将速度信息发送至微控制单元；微控制单元接收到速度信息后指示任意波形发生器产生相应频率的调制信号来驱动超表面。在这种自适应控制方式下，实现的智能多普勒隐身衣能够自动地提供所需的频率偏移Δf t，以补偿与可变速度v t相关的不同多普勒频移Δf D，进而始终隐藏目标的运动状态。
如图1、图3所示，时间调制反射式超表面1由一个控制接口2和n×n个超表面单元阵列排布组成，其中n为超表面单元的行数和列数。
如图2所示，超表面单元由上至下依次包括金属图案层、介质基板35和金属地36，金属图案层包括方形铜片31、四个相同的梯形铜片32和四个相同变容二极管33。其中，方形铜片31位于中心，四个相同的梯形铜片32沿x方向和y方向对称排布在方形铜片31四周，相邻的梯形铜片32相互连接；梯形铜片32的上底与方形铜片31的边平行，每个梯形铜片32的上底分别通过一个变容二极管33与方形铜片31相对的平行边相连；方形铜片31经过金属化通孔34连接到金属地36。
时间调制反射式超表面1中，同一行的超表面单元通过x方向的梯形铜片串联起来；同一列的超表面单元通过y方向的梯形铜片串联起来，从而将阵列中的所有梯形铜片都连接了起来，然后将阵列边缘的梯形铜片连接到控制接口2。通过控制接口2为变容二极管提供偏置电压，控制整个超表面的状态。
本实施例中，超表面单元边长为12mm，方形铜片边长为5mm，梯形铜片邻边之间的距离为3mm，方形铜片、梯形铜片以及金属地厚度均为0.018mm。在方形铜片和梯形铜片的四个0.7mm宽的间隙中集成了四个相同的变容二极管。再往下层依次是介质基板和金属地，介质基板厚度为2mm。相邻的两片梯形铜片连接在一起，方形铜片连接到金属地。介质基板44材料为F4B，介电常数2.65，损耗角正切0.001。
每个超表面单元在一个较宽的频带上可以产生大角度的相位差，相位差实时可调。使用智能时变控制系统，根据速度大小提供相应的时序控制信号，在一个周期内控制超表面单元的反射相位有序变化，从而实现电磁波的频率偏移，实时隐藏运动系统中产生的多普勒效应。
图4是本发明实施例中超表面单元在不同极化和不同电容值下的反射相位和幅值随频率变化的仿真曲线。图4的(a)、(b)分别绘出了不同电容C T下设计的超表面单元在x、y极化波正入射下的仿真反射幅值和相位。从图4的(a)得，在2.70~6.89 GHz的频率范围内，电容C T从1.15 pF变化到0.14 pF，在此频率范围内，反射幅值大于-3.2 dB，谐振强度变化小于2.7 dB。超表面单元在2.78~6.32 GHz的一个宽频带（77.8%相对带宽）内，可以实现大于300°的相位差和350°的最大相位差。所获得的反射特性对于x极化和y极化入射是完全相同的。此外，该超表面单元可以在圆极化入射下工作，对左旋圆极化和右旋圆极化波具有相同的相位响应，反射相位仿真曲线如图图4的(c)所示。仿真结果表明，所设计的超表面单元具有良好的宽频带、大相移范围和全极化性能。
用400个超表面单元设计了宽带全极化时间调制反射式可编程超表面，所有的单元都通过一个安装的卡口螺母连接器（BNC）以相同的电压偏置，利用标准印制电路板（PCB）技术制作了一个样品。在实验中使用的变容二极管型号是“MAVR-000120-14110P”。测量了在0~10.0 V不同偏置电压下超表面样品的反射相位，在几个不同频率下测量到的反射相位曲线如图5所示。由于两个正交极化的相位调制是相同的，图中只展示了x极化和左旋圆极化入射的测量结果，其中反射相位归一化在−180°和180°之间。观察到反射相位随电压的非线性变化，这主要是由于超表面单元和负载变容管的非线性共振。通过逐渐增加偏置电压，可编程超表面样品能够在所有频率点提供约340°相位差。实测结果验证了所实现的超表面能够在较宽的频段内实现较大的相位调节范围。
图6是本发明实施例中智能多普勒隐身衣在不同极化波照射下的反射频谱分布测量结果。智能多普勒隐身衣在3.3 GHz的x和y极化波正入射下，不同调制信号时，测量反射频谱的归一化功率分别绘制在图6的(a)-(c)中。观察到，当施加调制频率为55 kHz、110kHz和165 kHz的上变换电压信号时，反射波的主频率分量分别为3.300055 GHz、3.300110GHz和3.300165 GHz，产生了55 kHz、110 kHz和165 kHz的精确蓝移。相反，在相应的电压驱动信号下变换时，会产生−55 kHz、−110 kHz和−165 kHz的红移，导致主频率分量为3.299945 GHz、3.299890 GHz和3.299835 GHz。当x极化和y极化波的电场极化逆时针旋转45°，即45°极化和−45°极化，入射频率提高到4.9 GHz时，实测的智能多普勒隐身衣在不同调制信号下的频谱分布分别如图6的(d)-(f)所示。很明显，多普勒斗篷能够使入射波的频率发生蓝移和红移。对于三种上转换调制，产生的频移Δf t分别为82 kHz、164 kHz和246kHz；对于相应的下转换调制，产生的频移分别为−82 kHz、−164 kHz和−246 kHz。使用6.0GHz的左旋圆极化波和右旋圆极化波照射超表面，图6(g)-(i)分别展示了此时不同调制信号下超表面反射波的实测频谱功率分布。显然，在三种上转换调制下，入射波的频率在反射时精确地发生了100 kHz、200 kHz和300 kHz的蓝移，而在相应的下转换调制下，则发生了−100 kHz、−200 kHz和−300 kHz的红移。我们注意到，在所有的实验中，测量到的两个正交极化波的频率分量是相同的。所有测量的频谱分布验证了智能多普勒隐身衣能够根据不同的调制信号在任意极化波的宽带中产生所需的频移。
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 (7)

1.一种工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，其特征在于，包括一个时间调制反射式超表面（1），使用智能时变控制系统进行控制；所述时间调制反射式超表面（1）包括n×n个超表面单元阵列排布组成；在电磁波照射下，所述智能时变控制系统用于根据所述智能多普勒隐身衣覆盖的目标的运动速度大小输出相应的时序控制信号，在一个周期内控制所述时间调制反射式超表面（1）的反射相位有序变化，从而实现电磁波的频率偏移来抵消运动目标固有的多普勒频移。
2.根据权利要求1所述的工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，其特征在于，所述超表面单元由上至下依次包括金属图案层、介质基板（35）和金属地（36）；所述金属图案层包括方形铜片（31）、四个相同的梯形铜片（32）和四个相同变容二极管（33），其中，方形铜片（31）位于中心，四个相同的梯形铜片（32）沿x方向和y方向对称排布在方形铜片（31）四周，相邻的梯形铜片（32）相互连接，且每个梯形铜片（32）分别通过一个变容二极管（33）与方形铜片（31）相连；方形铜片（31）经过金属化通孔（34）连接到金属地（36）。
3.根据权利要求2所述的工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，其特征在于，所述梯形铜片（32）的上底与方形铜片（31）的边平行，并使用变容二极管（33）连接。
4.根据权利要求3所述的工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，其特征在于，所述时间调制反射式超表面（1）中，同一行的超表面单元通过x方向的梯形铜片串联起来；同一列的超表面单元通过y方向的梯形铜片串联起来，从而将阵列中的所有梯形铜片都连接了起来，然后将阵列边缘的梯形铜片连接到控制接口（2），通过所述控制接口（2）为变容二极管（33）提供偏置电压，控制超表面单元的状态。
5.根据权利要求2-4任一所述的工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，其特征在于，所述介质基板（35）材料为F4B，介电常数2.65，损耗角正切0.001。
6.根据权利要求1-4任一所述的工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，其特征在于，所述智能时变控制系统包括速度传感器、微控制单元和任意波形发生器；所述速度传感器用于检测目标的运动速度，并发送到微控制单元；所述微控制单元用于指示任意波形发生器产生具有相应频率的调制信号，用来驱动所述时间调制反射式超表面（1）。
7.根据权利要求1-4任一所述的工作在宽频带全极化的智能多普勒隐身衣，其特征在于，在一个调制周期T m内使得所述时间调制反射式超表面（1）的反射相位产生连续线性变化，入射频率f i被转化为一个新的频率分量f r进行反射，从而产生频移Δf t=f r-f i，并使频移Δf t抵消运动目标固有的多普勒频移Δf D。
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