CN113937505A - 一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面，包括间隔设置的两层调控层，分别为第一调控层和第二调控层，两层所述调控层之间设置一层谐振层，每个所述调控层和所述谐振层之间为空气层；其中，每个调控层包括介质层，介质层的两表面上均设置有金属谐振器，在每个金属谐振器上均设置有PIN二极管；介质层上平行、间隔设置三条偏置线；谐振层包括介质层，介质层的两表面分别由外向内依次套设有三个金属方环，在每个金属方环上设置有电阻。解决了现有技术中缺少可以实现反射、透射以及吸收三状态同时可重构的超表面的问题。
Description
技术领域
本发明属于人工电磁超表面技术领域，具体涉及一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面。
背景技术
超材料是一种具有独特电磁特性的具有亚波长结构的人工结构，超表面是具有二维结构的超材料，具有损耗低、重量轻、易于集成等优点，大大降低了制作工艺的要求，同时对于电磁波的幅度、相位和极化具有极强的控制力，有极大的潜力和应用前景，出现了平面透镜、偏振器、吸波体等各种具有特定功能的电磁器件。
区别于性能固定的超表面，可重构超表面的性能可以灵活调节，为实现多功能通信系统提供了新的思路和途径，研究基于超表面实现宽带可重构特性的电磁调控理论和方法，对于拓宽通信系统带宽、实现宽带通信具有重要意义。
目前，对于可重构超表面的研究已经有了大量的优秀成果，主要涉及振幅可重构、频率可重构以及极化可重构。在振幅可重构方面，目前的研究主要基于两种功能:反射/吸收或传输/吸收，而实现反射、透射以及吸收三状态同时可重构的超表面比较缺乏。
发明内容
本发明的目的是提供一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面，以解决现有技术中缺少可以实现反射、透射以及吸收三状态同时可重构的超表面的问题。
本发明采用以下技术方案：一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面，包括间隔设置的两层调控层，分别为第一调控层和第二调控层，两层所述调控层之间设置一层谐振层，每个所述调控层和所述谐振层之间为空气层；
其中，每个调控层包括介质层，介质层的两表面上均设置有金属谐振器，在每个金属谐振器上均设置有PIN二极管；介质层上平行、间隔设置三条偏置线；谐振层包括介质层，介质层的两表面分别由外向内依次套设有三个金属方环，在每个金属方环上设置有电阻。
进一步的，金属谐振器包括沿介质层的对角线设置的X形金属，在每条金属上、关于其中心对称设置两处开缝，在每个开缝处设置有PIN二极管。
进一步的，三条偏置线分别位于介质层的两侧和中间，每条偏置线上间隔设置两个电感。
进一步的，在每个金属方环的上下左右四个位置处均设有开缝，在各个开缝中均设置有电阻。
本发明采用的第二种技术方案是，一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的使用方法，包括以下内容：将第一调控层的PIN二极管全部导通，第二调控层的PIN二极管的偏置电压从0V变化到0.7V，则等效电阻RD从1.0*10^6Ω变化至2Ω，实现了对吸收率的调控。
进一步的，还可以包括以下内容：将第一调控层的PIN二极管全部截止，第二调控层的PIN二极管的偏置电压从0V变化到0.7V时，则等效电阻RD从1.0*10^6Ω变化至2Ω，实现了对透射电磁波的调控。
进一步的，还可以包括以下内容：两个调控层的PIN二极管的偏置状态完全相同，同时将电压从0V变化到0.7V，则等效电阻RD从1.0*10^6Ω变化至2Ω，实现了对反射电磁波与透射电磁波的调控。
本发明的有益效果是：现有的可重构超表面可以实现对反射电磁波的动态可调，而由于其结构底层设置有金属板阻，金属板阻挡了电磁波的透射，所以现有的可重构超表面对于透射电磁波并没有可调控功能。本发明用调控层代替了现有可重构超表面的金属板，同时在调控层上设置有二极管，通过给调控层的二极管提供不同的电压，就可以实现对透射波与反射波的同时可调控，进而实现了吸收率的可调控，充分利用了电磁波传输的三个通道(反射，透射，吸收)。本发明还可以同时实现+z方向和-z方向电磁波的调控，具有良好的工程实用性。本发明对于吸收率呈现线性调控的趋势，提升了电磁波调控的可调控性能，更大范围的满足实际应用场景需求。
附图说明
图1是本发明一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的立体结构示意图；
图2是本发明一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的调控层的结构示意图；
图3是本发明一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的谐振层的结构示意图；
图4是本发明一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的侧视图；
图5是本发明一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的3×1的单元阵列结构示意图；
图6(a)、图6(b)和图6(c)分别是本发明第一调控层的PIN二极管全部导通，第二调控层的PIN二极管的偏置电压从0V变化到0.7V时，-z方向上的吸收率图、反射率图和透射率仿真结果图；
图7(a)、图7(b)和图7(c)是本发明第一调控层的PIN二极管全部导通，第二调控层的PIN二极管的偏置电压从0V变化到0.7V时，+z方向上的吸收率图、反射率图和透射率仿真结果图；
图8(a)、图8(b)和图8(c)是本发明第一调控层的PIN二极管全部截止，第二调控层的PIN二极管的偏置电压从0V变化到0.7V时，-z方向上的吸收率图、反射率图和透射率仿真结果图；
图9(a)、图9(b)和图9(c)是本发明第一调控层的PIN二极管全部截止，第二调控层的PIN二极管的偏置电压从0V变化到0.7V时，+z方向上的吸收率图、反射率图、透射率仿真结果图；
图10(a)、图10(b)和图10(c)是本发明第一调控层与第二调控层的PIN二极管偏置状态完全相同，同时从0V变化到0.7V时，-z方向与+z方向上的吸收率图、反射率图、透射率仿真结果图。
其中，1、第一调控层，2.第二调控层，3.谐振层，4.空气层，5.金属谐振器，6.PIN二极管，7.介质层，8.电感，9.第一开缝方环，10.第二开缝方环，11.第三开缝方环，12.电阻，14.偏置线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面，如图1所示，其包括两层调控层和空气层4。两层调控层间隔设置，分别为第一调控层1和第二调控层2，两层所述调控层之间设置一层谐振层3，每个所述调控层和所述谐振层3之间为空气层4。
其中，如图2所示，每个所述调控层均包括正方形的介质层7，所述介质层7的两表面上均设置有金属谐振器5，在每个所述金属谐振器5上均设置有PIN二极管6；所述介质层7上平行、间隔设置三条偏置线14。
如图3所示，所述谐振层3包括正方形的介质层7，所述介质层7的两表面分别由外向内依次套设有三个金属方环，分别为第一开缝方环9、第二开缝方环10和第三开缝方环11，在每个金属方环上设置有电阻12。
PIN二极管6用于调控反射及透射电磁波，PIN二极管6可等效为一个电容与一个电阻并联，其电阻阻值可以通过偏置电压来调节，通过在偏置线14上施加电压实现反射、透射以及吸收的可重构。通过馈电网络及外加电源控制，实现对每个加载PIN二极管6的调控层的统一控制。本发明的一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面有两个调控层，通过给两个调控层提供不同的偏置状态，实现对反射电磁波与透射电磁波的动态可调，进而实现吸收率的可重构。
在一些实施例中，金属谐振器5包括沿所述介质层7的对角线设置的X形金属，在每条所述金属上、关于其中心对称设置两处开缝，在每个所述开缝处设置有PIN二极管6。
在一些实施例中，三条所述偏置线14分别位于所述介质层7的两侧和中间，每条偏置线14上间隔设置两个电感8。在调控层上的每条偏置线14上、串联两个电感8用于保护偏置线免受交流信号的影响。
在一些实施例中，在每个金属方环的上下左右四个位置处均设有开缝，在各个所述开缝中均设置有电阻12。各开缝处加载阻值相同的电阻12用于拓宽带宽。每个开缝处加载的电阻阻值相同。
在一些实施例中，第一开缝方环9的w1为0.1-0.6mm，第二开缝方环10的w2为0.6-3mm，第三开缝方环11的w3为0.2-1.2mm，第一开缝方环9与第二开缝方环10之间的间距为w12为0.4-1.8mm，第二开缝方环10与第三开缝方环11之间的间距为w23为0.1-0.7mm，介质层的厚度t1＝1.0mm。经过实验可以获知，在这个范围内可以达到吸收率90％以上。
实施例1
一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面包括两层调控层和空气层4。两个空气层4的厚度均为t2＝2.1mm。金属谐振器5可以采用金属铜，其导电率可以为5.96×107S/m。介质层7均为FR-4，其介电常数为4.3，其损耗正切为0.02。金属谐振器5的线宽为w0＝1.4mm，加载PIN二极管的开缝宽度h0＝1.7mm，介质厚度t0＝0.5mm。偏置线14的宽度w＝0.1mm。电阻12为R＝50Ω。
第一开缝方环9的w1＝0.15mm，第二开缝方环10的w2＝1.2mm，第三开缝方环11的w3＝0.3mm，每个开缝处加载的电阻阻值相同，为R＝50Ω。第一开缝方环9与第二开缝方环10之间的间距为w12＝0.6mm，第二开缝方环10与第三开缝方环11之间的间距为w23＝0.2mm，介质厚度t1＝1.0mm。超表面周期单元长为8.8mm，宽为8.8mm；调控层X形金属线宽为1.4mm，介质厚度为0.6mm。
PIN二极管6在开启时可以等效为等效电阻RD和电感串联，截止时可以等效为电容。PIN二极管6作为可变阻抗元件使用，在电阻12的调谐范围内(75.5Ω到1MΩ)，近似地将电阻的影响视为对整个系统的扰动，其V-A特性曲线遵循Shockley方程，
给实施例1的一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的偏置线加不同的电压，可以得到不同偏置电压所对应的等效电阻RD如下表1：
表1
由表1可知，通过在所述偏置线14上施加如表1中不同的电压，会得到不同的等效电阻，在仿真中，通过改变等效电阻RD的值来实现对电压的控制。
实施例2
如图5所示，可以将三个一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面组合形成3×1的单元阵列，介质层7的上分别设置有三行偏置线14，每一行偏置线14上的馈电点连接电源的同一极，相邻行的馈电点连接电源的不同极；每条偏置线串联两个电感用于保护偏置线免受交流信号的影响。
本发明一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的使用方法如下：
方法1：将第一调控层1的PIN二极管6全部导通，第二调控层2的PIN二极管6的偏置电压从0V变化到0.7V，则等效电阻RD从1.0*10^6Ω变化至2Ω。
在7.05-12.61GHz频率范围内，如图6(b)所示-z方向上反射率从0.5增大到0.84，如图6(c)所示透射率从0.25降至0.05，从而实现了吸收率0.30-0.88的可调控如图6(a)所示；如图7(b)所示在+z方向上反射率从0.9降至0.8，如图7(c)所示透射率从0.25降至0.05，实现吸收率0.1-0.4的可调控如图7(a)所示。其中，+z、-z表示电磁波垂直入射到超表面时的传播方向，+z、-z传播方向相反。
由此得知，在这种偏置状态下，第一调控层1可看作一个全反射面，另一个调控层1相当于一个可调控反射面，通过调控反射电磁波实现了对吸收率的调控。
方法2：第一调控层1的PIN二极管6全部截止，第二调控层2的PIN二极管6的偏置电压从0V变化到0.7V时，则电阻RD从1.0*10^6Ω变化至2Ω。
在7.05-12.61GHz频率范围内，-z方向上反射率在0.1-0.9范围内变化如图8(b)所示(呈现增大趋势)，透射率从0.6降至0.15如图8(c)所示(呈现线性减小趋势)，吸收率实现了0.1-0.8的可调控如图8(a)所示；在+z方向上反射率保持在0.2以下如图9(b)所示，透射率从0.6降至0.15如图8(c)所示(呈现线性减小趋势)，实现了吸收率0.5-0.99的可调控，且随着电压的增大，吸收率呈线性增大趋势如图9(a)所示；
由此得知，在这种偏置状态下，第一调控层1同时实现对反射电磁波与透射电磁波的调控，第二调控层2相当于一个空间滤波器，实现了对透射电磁波的调控。
方法3：两个调控层的PIN二极管偏置状态完全相同，同时从0V变化到0.7V时(电阻RD从1.0*10^6Ω变化至2Ω)，-z方向与+z方向对电磁波的调控完全相同，反射率在0.1-0.9范围内变化如图10(b)所示(呈现增大趋势)，透射率从0.6降至0.15如图10(c)所示(呈现线性减小趋势)，吸收率实现0.3-0.8的可调控如图10(a)所示。
由此得知，在这种偏置状态下，第一调控层1和第二调控层2对电磁波具有同样的调控效果，同时实现对反射电磁波与透射电磁波的调控。
PIN二极管6用于调控反射及透射电磁波，PIN二极管6可等效为一个电容与一个电阻并联，其电阻阻值可以通过偏置电压来调节，通过在偏置线14上施加电压实现反射、透射以及吸收的可重构。通过馈电网络及外加电源控制，实现对每个加载PIN二极管6的调控层的统一控制。本发明的一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面有两个调控层，通过给两个调控层提供不同的偏置状态，实现对反射电磁波与透射电磁波的动态可调，进而实现吸收率的可重构。
现有的可重构超表面可以实现对反射电磁波的动态可调，而由于其结构底层设置有金属板阻，金属板阻挡了电磁波的透射，所以现有的可重构超表面对于透射电磁波并没有可调控功能。本发明用调控层代替了现有可重构超表面的金属板，同时在调控层上设置有二极管，通过给调控层的二极管提供不同的电压，就可以实现对透射波与反射波的同时可调控，进而实现了吸收率的可调控，充分利用了电磁波传输的三个通道(反射，透射，吸收)。本发明还可以同时实现+z方向和-z方向电磁波的调控，具有良好的工程实用性。本发明对于吸收率呈现线性调控的趋势，提升了电磁波调控的可调控性能，更大范围的满足实际应用场景需求。
Claims (7)
1.一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面，其特征在于，包括间隔设置的两层调控层，分别为第一调控层(1)和第二调控层(2)，两层所述调控层之间设置一层谐振层(3)，每个所述调控层和所述谐振层(3)之间为空气层(4)；
其中，每个所述调控层包括介质层(7)，所述介质层(7)的两表面上均设置有金属谐振器(5)，在每个所述金属谐振器(5)上均设置有PIN二极管(6)；所述介质层(7)上平行、间隔设置三条偏置线(14)；所述谐振层(3)包括介质层(7)，所述介质层(7)的两表面分别由外向内依次套设有三个金属方环，在每个金属方环上设置有电阻(12)。
2.如权利要求1所述的一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面，其特征在于，所述金属谐振器(5)包括沿所述介质层(7)的对角线设置的X形金属，在每条所述金属上、关于其中心对称设置两处开缝，在每个所述开缝处设置有PIN二极管(6)。
3.如权利要求1或2所述的一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面，其特征在于，三条所述偏置线(14)分别位于所述介质层(7)的两侧和中间，每条偏置线(14)上间隔设置两个电感(8)。
4.如权利要求1或2所述的一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面，其特征在于，在每个金属方环的上下左右四个位置处均设有开缝，在各个所述开缝中均设置有电阻(12)。
5.一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的使用方法，其特征在于，基于权利要求1-4中任意一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面，包括以下内容：将第一调控层(1)的PIN二极管(6)全部导通，第二调控层(2)的PIN二极管(6)的偏置电压从0V变化到0.7V，则等效电阻RD从1.0*10^6Ω变化至2Ω，实现了对吸收率的调控。
6.如权利要求5所述的一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的使用方法，其特征在于，还可以包括以下内容：将第一调控层(1)的PIN二极管(6)全部截止，第二调控层(2)的PIN二极管(6)的偏置电压从0V变化到0.7V时，则等效电阻RD从1.0*10^6Ω变化至2Ω，实现了对透射电磁波的调控。
7.如权利要求5或6所述的一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面的使用方法，其特征在于，还可以包括以下内容：两个调控层的PIN二极管(6)的偏置状态完全相同，同时将电压从0V变化到0.7V，则等效电阻RD从1.0*10^6Ω变化至2Ω，实现了对反射电磁波与透射电磁波的调控。
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2021
- 2021-11-26 CN CN202111422089.7A patent/CN113937505A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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