CN113991311A - 一种生成任意极化的时间编码超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生成任意极化的时间编码超表面，由各向异性单元在二维空间内周期延拓而成，其电磁特性由外部控制电路实时调控；每个单元内集成四个变容管，同一极化上集成的两个变容管由同一外部控制电路控制，不同极化的变容管由不同外部控制电路独立控制。通过周期性地切换外部控制电路提供至时间编码超表面x极化和y极化上的变容管的偏置电压，既新增了时间维度这一设计自由度，同时也在频域产生相应的谐波能量分布，因此通过设计周期性时间编码，可独立地调控一对正交极化的反射幅度与相位，最终在基波和谐波频点上实现任意极化。本发明可将线极化入射波转换至任意极化反射，在无线通信等领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于人工电磁超材料领域，具体涉及一种生成任意极化的时间编码超表面。
背景技术
传统的极化调控的装置主要由具备双折射和旋光性等特征的天然材料构成，这类装置往往存在体积大和制备复杂等缺点。超表面作为超材料的二维形式，由亚波长的单元周期性或非周期性地在二维平面内排列构成。与传统材料相比，超表面具备剖面低、损耗小、质量轻和易加工等优点，从而近年来被广泛应用于电磁波的极化调控。
为了可动态地调控电磁波的特性，科研人员将开关二极管和变容管等电可调元件集成在超表面的单元中，使得通过结合外部控制电路可实时切换编码超表面的功能。若编码序列在时间维度上周期变化，既新增了一个调控电磁波的自由度，也新增了对谐波电磁波特性的调控。
目前已报道的极化调控装置均仅可将入射电磁波的极化转换为有限的数种情况。因此，为了适用于所有可能的应用场景，亟需探索一种可将入射电磁波的极化转换为任意极化的设计方案。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种生成任意极化的时间编码超表面，可对x极化和y极化入射的电磁波实现独立调控。入射电磁波为线极化且极化方向与x极化和y极化均呈45度夹角，通过在超表面的x极化和y极化上加载独立的周期性时间编码，可动态调控x极化和y极化上的电磁波的反射幅度与相位，最终在基波与谐波频点上实现任意极化转换。
技术方案：本发明提供的一种生成任意极化的时间编码超表面，由基本单元在二维平面内周期延拓而成，其电磁特性由外部控制电路实时调控；所述基本单元为反射型各向异性单元，包括上、中和下三层金属结构和上、下两层介质基板，上层金属结构包括一个居中的方形金属贴片、四个外围金属贴片和四个变容管，方形金属贴片与每个外围金属贴片之间由一个变容管连接，构成一个中心对称结构；方形金属贴片与中层金属结构相连，外围金属贴片与下层金属结构相连，方形金属贴片与外围金属贴片分别作为电极为变容管提供偏置电压；同一极化方向上的两个变容管的施加相同的偏置电压，不同极化方向的变容管施加的偏置电压独立控制；通过周期性地切换变容管的偏置电压，独立地调控x极化和y极化方向的反射幅度与相位，从而在基波频点和/或谐波频点上生成任意极化反射波。
进一步地，所述外部控制电路由现场可编程门阵列、可编程任意波形发生器或单片机等可编程器件和放大器构成，可输出在0 V至18 V范围内连续变化的电压。在外部控制电路调控下，基本单元在x极化和y极化方向的电磁特性可独立调控，两个极化的反射相位可在0°至280°之间连续变化。
进一步地，同一极化方向上的两个变容管被加载相同的时间编码序列，两路独立的时间编码序列分别用于调控电磁表面在x极化和y极化方向上的电磁特性。通过周期性地切换外部控制电路提供的两路偏置电压，可提供多样的周期性时间编码序列，令所述超表面在频域内产生相应的谐波。
进一步地，通过调控加载至超表面x极化和y极化方向上的时间编码序列，可令超表面在基波频点和/或谐波频点处的x极化电场分量和y极化电场分量的幅度比和相位差为任意值，从而生成任意极化反射波。
作为优选，上层金属结构中，外围金属贴片为梯形金属贴片，方形金属贴片居于单元结构的中心，四个相同的梯形金属贴片围绕在方形金属贴片四周，且关于单元中心对称。
作为优选，所述中间层金属结构为在外围金属贴片与下层金属结构相连位置处挖去四个孔的与单元尺寸相等的方形结构，通过实心金属过孔与上层金属结构的方形金属贴片相连。
作为优选，所述下层金属结构包含四个方形金属贴片，四个方形金属贴片均通过空心金属过孔与上层金属结构的外围金属贴片相连，且在同一极化方向的两个方形金属贴片通过窄带线以及0欧电阻相连。
进一步地，所述生成任意极化的时间编码超表面，还包括用于实时调控超表面电磁特性的外部控制电路。同一极化上集成的两个变容管由同一外部控制电路控制，不同极化的变容管由不同外部控制电路独立控制。
有益效果：本发明的时间编码超表面中各向异性单元中共集成四个变容管，其中同一极化的两个变容管通过金属贴片两两相连。外部控制电路可为变容管提供0 V到18 V之间连续变化的电压，通过调控变容管的等效电路，使单元的反射相位可在0°到280°之间连续变化。通过独立地和周期性地切换两个极化上的变容管所提供的电压，可有效地通过调控变容管的等效电路调控两个极化的反射系数，从而在基波和谐波频点上生成任意极化。与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明通过将有源器件（变容管）分别加载至两个极化方向上，有利于实现两个极化方向上的反射系数的同时调控；同时，通过为两个极化设计独立的偏置电路有利于实现两个极化方向的反射系数的独立调控。通过将上层金属结构中的方形金属贴片作为公共电极，有利于减少所需电极数目。为了令两个极化的反射系数遵循相同的变化规律且减少两个极化之间的电磁串扰，单元被设计为中心对称结构。为了防止x极化和y极化偏置电路之间的相互串扰，本发明采用将窄带线截断并由0欧电阻跨接相连的方式。
2.本发明采取时间编码不仅为调控电磁波特性新增了一个设计的自由度，而且通过将能量分布在整个频谱内，同时实现基波与谐波的极化调控。
3.本发明可通过外部控制电路实时切换加载至x极化和y极化上的周期性的时间编码，从而实时切换出射波的极化状态。由于本发明可随时根据实际场景切换功能，从而具备较大的应用价值。
4.本发明易于加工。通过常规的印刷电路板工艺即可完成时间编码超表面的制作，外部控制电路可由现场可编程门阵列、可编程任意波形发生器或单片机等可编程器件和放大器构成。
附图说明
图1是本发明所提出的生成任意极化的时间编码超表面样品的示意图；
图2是本发明反射型各向异性单元的三维结构示意图；
图3是本发明反射型各向异性单元的各层金属结构示意图；其中(a)为上层金属结构，(b)为中间层金属结构，(c)为下层金属结构；
图4是各向异性单元的x极化和y极化的反射幅度与相位随变容管容值变化的曲线图；
图5是各向异性单元在所有可能的一个周期内编码数目为6的编码序列的调制下在基波频点的等效反射幅度与相位的示意图；
图6是各向异性单元在所有可能的一个周期内编码数目为3的编码序列的调制下在+1阶谐波频点的等效反射幅度与相位的示意图；
图7是庞加莱球示意图；
图8是庞加莱球上任意一点所对应的极化示意图；
图9是时间编码超表面在基波频点的设计目标和测试结果的极化示意图；
图10是时间编码超表面在+1阶谐波频点的设计目标和测试结果的极化示意图；
图11是时间编码超表面在+2阶谐波频点的设计目标和测试结果的极化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种生成任意极化的时间编码超表面由完全相同的反射型各向异性单元在xy二维平面内周期延拓而成，其电磁特性由外部控制电路实时调控。图2是本实施例中所设计的各向异性单元的结构的三维视图。各向异性单元由上至下分别为上层金属结构、上层介质基板、中间层金属结构、下层介质基板和下层金属结构。如图3所示，本实施例中金属贴片采用铜片，上层金属结构包括一个居中的方形铜片、四个相同的外围铜片和四个相同的变容二极管。该结构由耶路撒冷十字结构变形而来，方形铜片作为公共电极，可有效减少偏置电极，外围铜片作为提供偏置电压的另一个电极，本实施例中采用梯形铜片，但其形状不限于梯形，可拓展至矩形等常见的几何图形。其中，方形铜片居于单元结构的中心，四个相同的梯形铜片围绕在方形铜片四周，且关于单元中心对称。方形铜片和每个梯形铜片之间各通过一个变容管相连。中间层金属结构为挖去四个孔的与单元尺寸相等的方形铜片，并且通过实心金属过孔与上层方形铜片相连。下层金属结构包含四个方形铜片，四个铜片均通过空心金属过孔与上层梯形铜片相连，且在同一极化的两个下层方形铜片通过窄带线以及0欧电阻相连。方形铜片与梯形铜片分别作为电极为变容管提供偏置电压，同一极化方向上的两个变容管的施加相同的偏置电压，不同极化方向的变容管施加的偏置电压独立控制。通过周期性地切换外部控制电路提供至时间编码超表面x极化和y极化上的变容管的偏置电压，既新增了时间维度这一设计自由度，同时也在频域产生相应的谐波能量分布，因此通过设计周期性时间编码，可独立地调控时间编码超表面的一对正交极化的反射幅度与相位，最终在基波和谐波频点上实现任意极化。
本实施例中各向异性单元的边长为13.5mm，两层介质均采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.001的F4B介质，两层介质基板的厚度分别为3mm与0.5mm，三层金属结构的厚度均为0.018mm。上层金属结构上方形铜片的边长为4.6mm，梯形铜片的上底为6mm、下底为12mm、高为3mm。
同一极化上的变容管均加以相同的偏置电压，x极化和y极化上的偏置电压由两路独立的外部控制电路提供。图4是两个极化的反射幅度与相位随变容管容值变化的曲线。当偏置电压由0 V连续变化至18 V时，变容管的等效电容将由2.67 pF连续变化至0.77 pF,此时单元的反射相位在设计频点5.5GHz可由0°连续变化至280°，且两个极化对电压的响应几乎完全一致，其中将反射相位为0°、90°、180°和270°这四种电磁响应标记为“0”、“1”、“2”和“3”四进制编码。每个可编程单元在两个极化上各拥有一组独立的时间编码序列，两组编码序列均由外部控制电路切换所输出的电压产生，并在远大于入射波周期的时间周期T0内循环。基于傅里叶变换理论，周期信号变换至频域时可由傅里叶级数展开，电磁波的能量将由入射波的频率fc分散至基波fc和谐波fc+mf0之上，其中m为谐波次数，f0为时间编码序列的频率。
图5是各向异性单元在所有可能的一个周期内编码数目为6的编码序列的调制下在基波频点的等效反射幅度与相位的示意图。图6是各向异性单元在所有可能的一个周期内编码数目为3的编码序列的调制下在+1阶谐波频点的等效反射幅度与相位的示意图。当一个周期内的编码数目足够长时，反射系数的相位可由0°连续变化至360°，且任意一个相位对应多个幅度值。因此通过切换加载至时间编码超表面的两个极化上的时间编码序列，可实时调控两个极化的反射幅度与反射相位。通过调节两个极化的反射幅度比与相位差，可生成任意极化。
实验验证在标准的微波暗室中进行，由矢量网络分析仪通过一个线极化喇叭天线发射微波信号，由一个与同一矢量网络分析仪相连的双线极化喇叭同时测量x极化与y极化的反射幅度比与相位差。借助庞加莱球用以表示任意极化，其中庞加莱球表面上的任意一点与一种完全极化状态一一对应，且庞加莱球上的任意一点的所对应的极化如图7和图8所示。如图9至图11所示，本实施例分别测量了14种在基波频点的极化状态，具体包括0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°等八种线极化，左旋圆极化、右旋圆极化和三种左旋椭圆极化和三种右旋椭圆极化；26种在+1阶谐波频点的极化状态，具体包括24种在与庞加莱球的赤道相平行的轨迹上的极化状态和左旋圆极化、右旋圆极化两种极化状态，处于庞加莱球的赤道上的八种极化状态分别为0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°线极化，处于庞加莱球北半球的轨迹内的极化均为右旋椭圆极化，且椭圆度相同，仅椭圆的旋转角度不同，处于庞加莱球南半球的轨迹内的极化均为左旋椭圆极化，且椭圆度相同，仅椭圆的旋转角度不同；24种在+2阶谐波频点的极化状态，24种极化状态分布在与庞加莱球的赤道所在平面相垂直的三条轨迹上，每条轨迹上的极化状态的椭圆度和椭圆的旋转角度均不相同。图中实线为设计目标，虚线为测试结果。测试情况包含线极化、圆极化和椭圆极化等共64种情况，本发明仅以这64种情况为例，本发明所提供的设计方法可推广至各阶谐波频点处的任意极化，所有测试结果均与设计目标吻合良好。
以上所述，仅为本发明的优选实施例。由于本发明设计思路清晰，应用前景广泛，同样的结构可以通过尺寸缩放而拓展到毫米波波段、红外、太赫兹以及可见光波段，并不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利覆盖的范围。
Claims (10)
1.一种生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，所述超表面由基本单元在二维平面内周期延拓而成，其电磁特性由外部控制电路实时调控；所述基本单元为反射型各向异性单元，包括上、中和下三层金属结构和上、下两层介质基板，上层金属结构包括一个居中的方形金属贴片、四个外围金属贴片和四个变容管，方形金属贴片与每个外围金属贴片之间由一个变容管连接，构成一个中心对称结构；方形金属贴片与中层金属结构相连，外围金属贴片与下层金属结构相连，方形金属贴片与外围金属贴片分别作为电极为变容管提供偏置电压；同一极化方向上的两个变容管的施加相同的偏置电压，不同极化方向的变容管施加的偏置电压独立控制；通过周期性地切换变容管的偏置电压，独立地调控x极化和y极化方向的反射幅度与相位，从而在基波频点和/或谐波频点上生成任意极化反射波。
2.根据权利要求1所述的生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，所述外部控制电路由可编程器件和放大器构成，可输出在0 V至18 V范围内连续变化的电压；所述可编程器件包括现场可编程门阵列、可编程任意波形发生器或单片机。
3.根据权利要求1所述的生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，在外部控制电路调控下，基本单元在x极化和y极化方向的电磁特性可独立调控，两个极化的反射相位可在0°至280°之间连续变化。
4.根据权利要求1所述的生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，同一极化方向上的两个变容管被加载相同的时间编码序列，两路独立的时间编码序列分别用于调控电磁表面在x极化和y极化方向上的电磁特性。
5.根据权利要求1所述的生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，通过周期性地切换外部控制电路提供的两路偏置电压，可提供多样的周期性时间编码序列，令所述超表面在频域内产生相应的谐波。
6.根据权利要求1所述的生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，通过调控加载至超表面x极化和y极化方向上的时间编码序列，可令超表面在基波频点和/或谐波频点处的x极化电场分量和y极化电场分量的幅度比和相位差为任意值，从而生成任意极化反射波。
7.根据权利要求1所述的生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，上层金属结构中，外围金属贴片为梯形金属贴片，方形金属贴片居于单元结构的中心，四个相同的梯形金属贴片围绕在方形金属贴片四周，且关于单元中心对称。
8.根据权利要求1所述的生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，所述中间层金属结构为在外围金属贴片与下层金属结构相连位置处挖去四个孔的与单元尺寸相等的方形结构，通过实心金属过孔与上层金属结构的方形金属贴片相连。
9.根据权利要求1所述的生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，所述下层金属结构包含四个方形金属贴片，四个方形金属贴片均通过空心金属过孔与上层金属结构的外围金属贴片相连，且在同一极化方向的两个方形金属贴片通过窄带线以及0欧电阻相连。
10.根据权利要求1所述的生成任意极化的时间编码超表面，其特征在于，还包括用于实时调控超表面电磁特性的外部控制电路；同一极化上集成的两个变容管由同一外部控制电路控制，不同极化的变容管由不同外部控制电路独立控制。
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