CN113805150B - 基于时间调制有源频率选择表面的谐波生成方法 - Google Patents

基于时间调制有源频率选择表面的谐波生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于时间调制有源频率选择表面的谐波生成方法，该方法是利用控制网络以实现有源频率选择表面的谐波生成，包括：步骤一：时间调制AFSS吸波/反射器设计；步骤二：AFSS吸波/反射器时间调制信号模型建立；步骤三：反射式多谐波生成。本发明的有益效果在于：第一，创新性地提出了基于时间调制AFSS的谐波生成方法，拓展了AFSS在电磁调控方面的研究。第二，设计了树字型开孔AFSS表面单元及相匹配的控制网络，可实现X波段15dB的幅度调控，同时减少控制网络的复杂度。第三，调制模型简单，通过AFSS调制参数控制，可以操控生成谐波的幅度和位置。

Description

基于时间调制有源频率选择表面的谐波生成方法
【技术领域】
本发明涉及材料电磁调控领域，具体涉及一种基于时间调制有源频率选择表面的谐波生成方法。
【背景技术】
谐波生成现象可以在电磁波与电磁材料之间的相互作用中发现，该现象被广泛用于无线通信和雷达领域。作为一种可选择方法，时间调制反射阵列(time-modulatedreflector array，简称TMRA)已显示出不俗的能力，其可以通过集成到阵列元件中的多个PIN二极管和开关在中心频率和谐波频率处调制辐射方向图。东南大学崔铁军教授团队设计了一种反射式时域数字编码超表面来调制入射信号的频谱，通过对表面回波反射率的相位和幅度调制，在原始载频周围生成了几个新的离散峰。此外，基于时变超表面的石墨烯微带阵列结构被证明可以调制谐波，并在不同的频率区域实现各种光学性能的调控。但是，上述方法的控制策略比较复杂，每个单元或单元列共用一个偏置电压，不等列内的PIN二极管被不同的波形调制，使得控制网络复杂，其成本相对较高。
有源频率选择表面(active frequency selective surface，简称AFSS)是一种周期性的贴片或孔径阵列结构，其材料电磁性能受外部激励控制。作为研究热点，可切换有源频率选择表面吸波/反射器可以通过施加一些外部激励在需要的频率上进行开关切换，它通常应用于雷达隐身领域。目前，AFSS吸波/反射器从材料设计的角度得到了广泛的报道，如频带范围、角度性能、极化范围等，以获得良好的电磁特性。然而，关于AFSS吸波/反射器对电磁波的动态调制作用以及产生的相应效应的研究很少，而关于谐波生成技术方面的研究几乎没有。
【发明内容】
本发明的目的在于提出了以时间调制AFSS来操控回波的谐波分布。发明设计一种时间调制AFSS吸波/反射器，该结构由AFSS表面结构与控制系统组成。AFSS表面单元采用树字型开孔结构，偏置电路采用串并结合的方式。控制网络采用一个FPGA外部激励进行整体控制，降低了整个系统的复杂度。在此基础上，从信号层面建立了AFSS时间调制模型，实现了反式式多谐波生成的效果。最后，利用线性调频(linear frequency modulation，简称LFM)信号回波实验，验证了该方法的有效性。
为实现上述谐波生成过程，本方法采用一种基于时间调制有源频率选择表面的谐波生成方法，该方法是利用控制网络以实现有源频率选择表面AFSS的谐波生成，具体过程如下：
步骤一：时间调制AFSS吸波/反射器设计
时间调制AFSS吸波/反射器是由AFSS吸波/反射器表面和相匹配的控制网络组成，通过偏置电路的切换实现对入射信号的调控，这种对所述偏置电路的切换根据特殊的时间函数执行，即使得材料表面的反射特性表现为时间的函数。
为了提供偏置网络，所述的偏置电路是采用串并结合的方式给AFSS吸波/反射器表面进行有效馈电。
设计的控制网络包含一个上位机和FPGA系统，在工作状态下，上位机通过以太网向FPGA发送‘0’和‘1’编码指令。FPGA接收到指令后产生一个时间脉冲流，其高电压对应编码‘1’，零电压对应编码‘0’。产生的时间脉冲流通过功率放大器放大到AFSS的‘ON’响应电压，以激活AFSS的吸波状态。‘ON’状态的电压值与具体的AFSS结构有关。这个放大的电压脉冲被施加到AFSS的正负极。因此，进一步通过数字编码序列来实现对AFSS表面反射状态的控制，编码‘1’对应吸收状态，代码‘0’对应反射状态。
步骤二：AFSS吸波/反射器时间调制信号模型建立
通过改变AFSS吸波/反射器表面的驱动，所述的表面的反射系数将根据驱动电压实现反射回波在吸波态与反射态相互切换。这种切换由一段时间编码序列执行，因此AFSS表面的反射率表现为时间的函数。假设AFSS表面反射态为1，吸波态为x，此步骤按一定周期进行。周期的幅度时间调制信号傅里叶变换对应离散的冲激响应，这些冲激响应服从sinc分布。
步骤三：反射式多谐波生成
当载频为f0的入射信号经时间调制AFSS吸波/反射器以fs的切换速率周期调制后，相当于原信号谱与调制信号的冲激响应进行卷积运算，在冲激处形成多谐波效应，生成一系列以载频f0为中心的多谐波分量f0+nfs，这些新生成的谐波呈离散分布。调制频率fs决定新生成载波的间隔，fs越大，相邻谐波的间隔也越大。占空比决定生成谐波的幅度包络，其服从sinc函数分布。因此，通过周期地切换驱动电压调制频率、占空比，可灵活地控制载波与新生成谐波的位置与幅度。
本发明的有益效果在于：
第一，创新性地提出了基于时间调制AFSS的谐波生成方法，拓展了AFSS在电磁调控方面的研究。
第二，设计了树字型开孔AFSS表面单元及相匹配的控制网络，可实现X波段15dB的幅度调控，同时减少控制网络的复杂度。
第三，调制模型简单，通过AFSS调制参数控制，可以操控生成谐波的幅度和位置。
【附图说明】
图1(a)(b)(c)为树字型开孔AFSS吸波/反射表面，其中图1(a)(b)为整体结构，图1(c)单元结构。
图2反射率仿真结果。
图3控制网络与时间调制AFSS实现方法。
图4AFSS吸波/反射器周期性时间调制模型。
图5(a)(b)为谐波生成仿真结果，其中图5(a)参数为B＝50MHz,fs＝100MHz，图5(b)参数为B＝500MHz,fs＝1MHz。
图6为实验测试场景示意图。
图7(a)(b)为调制测试结果，其中图7(a)为时域回波，图7(b)为频谱。
图8(a)(b)为AFSS周期调制测试结果，其中图8(a)为时域回波，图8(b)为频谱。
【具体实施方式】
为了更好地理解本发明的方法，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明涉及时间调制AFSS吸波/反射器设计、AFSS吸波/反射器时间调制模型建立、反射式多谐波生成三个具体步骤，具体实施如下：
步骤一：时间调制AFSS吸波/反射器设计
本发明实施例的时间调制AFSS吸波/反射器，由AFSS吸波/反射器表面和相匹配的控制网络组成，通过偏置电路的切换实现对入射信号的调控，这种对所述偏置电路的切换根据特殊的时间函数执行，即使得材料表面的反射特性表现为时间的函数。
其中，AFSS吸波/反射器表面为树字型开孔AFSS吸波/反射器表面，整体结构如图1(a)(b)所示，其包含有源阻抗层，介质层，金属导体背板。有源阻抗层包含15列线状结构，每一列包含10个串联的树字型开孔AFSS单元，并在相邻的两个单元之间加载BA585型PIN二极管，通过对整个结构施加偏压的方式改变通过二极管的阻抗特性，二极管的正极方向一致。同时在每一纵列的两端设置偏置线，以便于测试和通电控制，15列单元采用并联的方式连接在偏置线两端。金属导体背板和有源阻抗层之间是厚度为4mm，介电损耗角正切tanδ＝0.017，相对介电常数εr＝1.05的泡沫介质,有源阻抗层的介质衬底厚度为0.5mm，且εr＝5.2，tanδ＝0.01，铜箔厚度为0.017mm。因此材料整体厚度为4.534mm，长与宽分别为31.5cm和15.8cm。
树字型开孔AFSS吸波/反射器表面单元如图1(c)所示，其相关几何参数如下，a＝20mm，b＝16mm，c＝3mm，d＝7mm，e＝2mm，f＝15mm，g＝2.5mm，其中在树子型结构中开了一个半径为1.5mm的小圆。树字型开孔AFSS有源阻抗层FR4的厚度为0.5mm，其介电常数ε＝4.8，铜箔厚度为0.017mm。
利用CST电磁学软件进行频域仿真，以获得树字型开孔AFSS的反射率结果。激励采用Floquet端口模式，下端采用电边界条件，仿真设置电磁波频率范围为6-16GHz，垂直入射。电阻加载到AFSS单元之间，通过设定不同的电阻阻值，以模拟PIN二极管阻抗特性的变化，其值在10Ω至2000Ω之间变化。
图2给出了在一些典型电阻情况下AFSS反射器的反射率结果。结果表明，该结构在一定频段内具有很强的吸收作用，随着电阻的变化，吸收峰出现在不同的频率。当电阻值为150Ω时，吸收峰出现在8-14GHz范围内，小于-15dB的吸收带宽约为1GHz。当电阻值增加时，AFSS反射器的吸收峰减弱。当电阻增加到2000Ω时，该结构在6-16GHz范围内显示出较强的反射特性。因此树字型开孔AFSS吸波/反射器表面在8-14GHz范围内能够表现出很强的吸波反射特性。
设计的与树字型开孔AFSS吸波/反射器表面相匹配的控制网络如图3所示。在工作状态下，用户可以通过以太网向FPGA发送‘0’和‘1’编码指令。FPGA接收到指令后产生一个时间脉冲流，其高电压对应编码‘1’，零电压对应编码‘0’。产生的时间脉冲流通过功率放大器放大到AFSS的‘ON’响应电压，以激活AFSS的吸波状态。‘ON’状态的电压值与具体的AFSS结构有关。这个放大的电压脉冲被施加到AFSS的正负极。因此，进一步通过数字编码序列来实现对AFSS散射状态的控制。编码‘1’对应吸收状态，代码‘0’对应反射状态。
这里提供了一个示例来巩固上述概念。编码序列‘10101010’从上位机发送到FPGA，相应的‘ON’、‘OFF’脉冲流作为偏置电压加到AFSS的正负两端。作为结果，生成了AFSS反射率的响应波形“x1x1x1x1”。本发明设计的时间调制AFSS结构的控制网络只需要一个单一的时间调制波形，使控制系统复杂度大大简化。
步骤二：AFSS吸波/反射器时间调制模型建立
AFSS吸波/反射器时间调制模型如图4所示，由树字型开孔AFSS吸波/反射器反射率仿真结果可知，当电阻值为150Ω时，在8-14GHz呈现系吸收状态，小于-15dB的吸收带宽约为6GHz。当电阻值增加时，AFSS吸波/反射器的吸收峰减弱。当电阻增加到2000Ω时，该结构在6GHz至16GHz范围内显示出较强的散射。因此树字型开孔AFSS吸波/反射器在8-14GHz范围内能够表现出很强的吸波反射特性，这段区域被定义为可调区域。根据上述模型，时间调制AFSS吸波/反射器通过改变自身反射特性对入射信号进行调制，从本质来说，这是一种幅度调制。
使AFSS吸波/反射器随一段时间函数执行周期调制，此时反射系数的切换周期为Ts，占空比为β，周期性反射系数Γ(t)以傅里叶级数形式进行展开，其时域表达式为
其中，n为正整数，Γ(t)信号频谱可以表示为
其中sinc(y)＝sin(πy)/πy。Γ(f)包含冲激频率分量，频谱中包含许多离散的谐波边带，边带包络服从sinc函数分布，并沿零点中心呈对称分布。
步骤三：反射式多谐波生成
假设入射电磁波的载频远大于周期性时间调制AFSS的调制频率，且信号频谱落于AFSS可调区域之内，当电磁信号Ei(t)以f0的载频入射到时间调制AFSS吸波/反射器，反射回波Er(t)频谱可表示为
其中Ei(f)表示入射信号的频谱。多个新生成的离散谐波沿中心载频处向两边扩展，生成一系列多谐波分量f0+nfs，这些新生成的谐波呈对称分布，相邻间隔为fs。特别是零级谱的输出系数为Er(0)＝(1-x)α+x，与占空比和吸波条件下的幅度系数x有关。
假设当AFSS处于吸波状态时，幅度系数为x＝0.1。LFM信号广泛应用于雷达领域。在下面的仿真中用作载波频率f0＝10GHz的入射信号。在fs>B的情况如图5(a)5所示。信号带宽B＝50MHz，AFSS调制频率fs＝100MHz。许多离散谐波在新的频点生成。相邻谐波中心位置之间的间隔为100MHz。原始频谱位置的幅度系数为Er(0)＝0.55。fs<B的情况如图5(b)所示。信号带宽B＝500MHz，调制频率fs＝1MHz。新生成的频谱边带落在原始频带内。
进一步的，为了证明时间调制AFSS吸波/反射器的谐波生成效果，进行了雷达回波响应实验。在图6中，信号产生和处理系统由任意波形发生器(arbitrary waveformgenerator，简称AWG)、上变频器、下变频(down-conversion，简称DC)模块、中频调理(intermediate frequency adjustment，简称IFA)模块和数据存储器组成。在本实验中，AWG产生B＝500MHz和Tp＝8μs的LFM信号。信号由上变频器上变频至10GHz，然后由天线发射。其频带落在AFSS的调制频带内。来自时间调制AFSS吸波/反射器的反射信号被接收天线接收，并由直流模块和IFA处理。最后将处理的信号存储在数据存储模块中。未经AFSS调制的测试结果如图7所示，包括时域和频谱中的回波。由于场景中存在环境噪声，因此信号回波不如理想的LFM信号完整。紧接着，在图8中进行fs＝1MHz，α＝0.5的AFSS调制过程。从图8(a)可以清楚地看出，回波中有8个高电平峰值，每1μs变化一次。在图8(b)中，新生成的频谱边带落在原始频段内，这与图5(b)中的仿真结果一致。
从仿真与实测结果中不难看出基于时间调制AFSS吸波/反射器的反射谱具有多谐波效应，与理论分析一致，证明了本发明所提方法的有效性。

Claims (3)

1.一种基于时间调制有源频率选择表面的谐波生成方法，其特征在于：该方法是利用控制网络以实现有源频率选择表面AFSS的谐波生成，具体过程如下：
首先，设计时间调制AFSS吸波/反射器，包括AFSS吸波/反射器表面和相匹配的控制网络，通过偏置电路的切换实现对入射信号的调控；所述的偏置电路的切换是根据时间函数执行，即使得材料表面的反射特性表现为时间的函数；所述的控制网络包含一个上位机和FPGA系统，在工作状态下，上位机通过以太网向FPGA发送‘0’和‘1’编码指令；
进一步的，通过改变AFSS吸波/反射器表面的驱动，所述的表面的反射系数将根据驱动电压实现反射回波在吸波态与反射态相互切换；这种切换由一段时间编码序列执行，因此AFSS表面的反射率表现为时间的函数；假设AFSS表面反射态为1，吸波态为x，此步骤按周期进行；周期的幅度时间调制信号傅里叶变换对应离散的冲激响应，这些冲激响应服从sinc分布；
再一步的，通过周期地切换驱动电压调制频率、占空比，实现控制载波与新生成谐波的位置与幅度；具体的：当载频为f0的入射信号经时间调制AFSS吸波/反射器以fs的切换速率周期调制后，相当于原信号谱与调制信号的冲激响应进行卷积运算，在冲激处形成多谐波效应，生成一系列以载频f0为中心的多谐波分量f0+nfs，这些新生成的谐波呈离散分布；调制频率fs决定新生成载波的间隔，fs越大，相邻谐波的间隔也越大；占空比决定生成谐波的幅度包络，其服从sinc函数分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间调制有源频率选择表面的谐波生成方法，其特征在于：所述的偏置电路，具体是采用串并结合的方式给AFSS吸波/反射器表面进行有效馈电。
3.根据权利要求1所述的一种基于时间调制有源频率选择表面的谐波生成方法，其特征在于：所述的FPGA接收到编码指令后产生一个时间脉冲流，其高电压对应编码‘1’，零电压对应编码‘0’；产生的时间脉冲流通过功率放大器放大到AFSS的‘ON’响应电压，以激活AFSS的吸波状态；这个放大的电压脉冲被施加到AFSS的正负极；因此，进一步通过数字编码序列来实现对AFSS表面反射状态的控制，编码‘1’对应吸收状态，代码‘0’对应反射状态。
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