CN114122734A - 一种超结构单元、超结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超结构单元、超结构及其设计方法，所述超结构单元包含：顶层；底层，与顶层相对设置，与顶层第二层体间距离由近及远处，依次为第三层体、第二基板和金属反射层；半导体元件，用于连接顶层与底层，组成控制顶层表面温度的电路，金属反射层用于微波反射，整个超结构单元作为微波反射动态调控单元。通过对超结构单元中二极管的通断状态的控制，实现微波反射特性的动态可调；同时，通过对加载在热电结构上电流的控制来改变超结构的表面温度，从而实现红外辐射特性的动态可调。并且，该超结构制作工艺简单、制作成本低、使用方便，为填补微波与红外双谱段可调的动态电磁材料空白提供一种有效的技术途径。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波动态调控的技术领域，具体涉及一种微波反射与红外辐射双谱段可调谐的超结构单元、超结构和设计方法。
背景技术
多谱段、多功能、动态可切换材料已成电磁调控材料研究的重要发展方向，因此，国内外研究人员开展了大量的研究，并取得了一系列的研究成果。如2017年第5期《功能材料》期刊中公开了一种基于超材料的微波/红外兼容材料设计与验证，利用频率选择表面和电阻型周期表面双层超材料实现微波/红外兼容；中国发明专利CN 106183315B公开了一种红外/微波兼容型材料及其制备方法，通过多层结构实现微波/红外兼容等。面对所处环境的切换，不同环境背景下要求材料具有不同的微波反射特性以及不同的红外辐射特性，此时，静态的电磁材料难以满足多场景的要求，因此需要进一步发展微波/红外兼容且动态可调的电磁材料。如中国发明专利CN109181650B公开了一种基于双重相变的动态红外材料及制备方法、中国发明专利CN106405697B公开了一种动态可调的多频吸波材料等，这些材料一般只能在微波或者红外单个谱段内实现动态的效果。目前，微波与红外双谱段可调谐的动态材料还未见报道。这是因为现有的微波/红外兼容电磁材料一般采用了红外电磁材料覆盖在微波电磁材料表面的结构，当要进一步实现红外动态设计时，需要在红外材料中增加一些用于施加外部激励的功能结构，如加热模块、电极模块等，这些功能结构与微波材料兼容困难，从而导致微波与红外双谱段可调谐的动态材料结构复杂、设计困难，严重限制了微波与红外双谱段可调谐的动态材料发展。
为此，本发明提出一种微波反射与红外辐射双谱段可调谐的超结构。该超结构是在现有的热电结构基础上，进一步集成了基于二极管组件的微波反射相位动态调控设计。通过对超结构中二极管组件的通断状态的控制，实现微波反射特性的动态可调；同时，通过对加载在热电结构上电流的控制来改变超结构的表面温度，从而实现红外辐射特性的动态可调。并且，该超结构制作工艺简单、制作成本低、使用方便，为填补微波与红外双谱段可调谐的动态电磁材料空白提供一种有效的技术途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微波反射与红外辐射双谱段可调谐的超结构，通过微波动态超表面与热电结构一体化设计，可实现微波反射特性与超结构表面温度双谱段动态可调，从而为填补微波与红外双谱段可调谐的动态电磁材料空白提供一种有效的技术途径。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种微波反射与红外辐射双谱段可调谐的超结构单元，包含：顶层，所述顶层包括由第一金属结构和二极管组件组成的第一层体、第二金属结构组成的第二层体和第一基板，所述第一基板设置于所述第一层体与第二层体之间；所述第一金属结构由两个分离的结构组成，该两个分离的结构通过所述二极管组件进行连接，且所述第一金属结构与外部电路相连；
底层，所述底层与所述顶层相对设置，且与所述第二层体之间距离由近及远处，所述底层依次包括由第三金属结构组成的第三层体、第二基板和金属反射层；
半导体元件，所述半导体元件用于连接顶层与底层，且至少包括一对P型半导体晶粒和N型半导体晶粒，并分别与所述第二金属结构和第三金属结构相连，所述第二金属结构或第三金属结构与外部电路相连，组成控制顶层表面温度的电路。
其中，所述底层的金属反射层用于微波反射，整个超结构单元作为微波反射动态调控单元。
进一步的，所述二极管组件具有两种状态：“通”态与“断”态，在微波入射波段频率[ν min,ν max ]范围内，所述“通”态与“断”态的反射幅值均大于0.9且两反射幅值之差≤0.1，以及反射相位差位于180°±37°范围内，从而为微波反射与红外辐射双谱段可调谐超材料做准备。
进一步的，第一金属结构由两个分离的镜像对称结构组成，二极管组件位于整个第一金属结构的中心。
进一步的，所述两个分离的镜像对称结构为带孔“凸”字型结构。
进一步的，所述第一金属结构、第二金属结构、第三金属结构以及金属反射层材质为铜，铜的厚度为20 μm，并在铜表面电镀镍金。
进一步的，采用印刷电路板工艺来完成第一金属结构、第二金属结构、第三金属结构以及金属反射层的制作。
本发明再一方面提供了由上述超结构单元组成的超结构，所述超结构包含N×N个超级单元，所述超级单元包含M×M个超结构单元；所述M与N为正整数；
所述超结构具有多路相互独立的第一电路，所述第一电路由第一金属结构与二极管组件组成，所述第一电路均与外部电路连接；
所述超结构具有第二电路，所述第二电路由(N×M)×(N×M)个超结构单元的半导体元件、第二金属结构和第三金属结构串联连接组成，所述第二电路通过任意第二金属结构或第三金属结构与外部电路相连。
进一步的，所述超级单元共有X路第一电路，且每路第一电路所具有的超结构单元数量相同为
，所述X为正整数。
本发明另一方面提供了上述超结构的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
S1、优化超结构单元的几何参数，使得二极管组件在“通”态与“断”态下，超结构单元对微波的反射幅值均大于0.9且反射幅值之差≤0.1，以及反射相位差处于180°±37°范围内；
S2、将M×M个优化得到的超结构单元阵列成一个超级单元，再将N×N个超级单元组成超结构，其中，所述M与N为正整数；
S3、设计超结构的第一金属结构的连接方式，形成多路相互独立的第一电路，所述相互独立的第一电路分别通过第一金属结构与外部电路相连，以实现各路第一电路的二极管组件“通”态与“断”态的独立控制；
S4、设计第二电路连接方式。
进一步的，所述步骤S3中，每路第一电路所具有的超结构单元数量相同。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过融合微波动态超表面与热电结构一体化设计，能够有效地实现微波反射与红外辐射双谱段可调的功能，并且，该超结构制作工艺简单、制作成本低、使用方便，从而为微波与红外双谱段可调谐的动态电磁材料的发展提供一种有效的技术途径。
附图说明
通过下面结合示例性地示出附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1为本发明公开的一种微波与红外双谱段可调超结构单元示意图；
图2为本发明公开实施例中超结构单元结构示意图；
图3 为本发明公开实施例中超结构单元反射特性仿真结果图；
图4 为本发明公开实施例中超结构单元的表面温度变化曲线图；
图5为本发明公开实施例中微波与红外双谱段可调超结构组成示意图；
图6（a）为本发明公开实施例中超结构的微波反射调控过程示意图，图6（b）为本发明公开实施例中超结构的微波反射率变化曲线图。
附图标记：
11-P型半导体晶粒；12-N型半导体晶粒；21-第一金属结构；22-二极管组件；23-第二金属结构；24-第三金属结构；25-金属反射层；31-第一基板；32-第二基板。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1示意性示出了根据本公开实施例中的一种微波与红外双谱段可调超结构单元示意图。参照图1，一种微波与红外双谱段可调超结构单元，包含：
顶层；包括由第一金属结构21和二极管组件22组成的第一层体、第二金属结构23组成的第二层体和第一基板31，第一基板31设置于第一层体与第二层体之间；第一金属结构21由两个分离的结构组成，并通过二极管组件22进行连接；第一金属结构21与外部电路相连，用于向顶层第一金属结构21和二极管组件22供电；
底层；与顶层相对设置，与顶层第二层体间距离由近及远处，依次为由第三金属结构24组成的第三层体、第二基板32和金属反射层25；金属反射层25用于微波反射，整个热电超结构单元作为微波反射特性动态调控单元。
这里的顶层、底层表述仅为便于结合附图进行说明，并不表示对其位置的限制，在设计、制造或使用的过程中，各层间相对位置按上述设置即可；有关层的表述也不是对各结构的形状进行限制，本实施例采用的是较为常规的平面板状形式进行说明，本领域技术人员在设置各层结构时，也可采用异形结构进行组装。
半导体元件，用于连接顶层与底层，至少包括一对P型半导体晶粒11和N型半导体晶粒12，设置于顶层与底层之间，并与上层第二层体的第二金属结构23和下层第三层体的第三金属结构24相连，构成完整的电流串联电路，该电路也是顶层与底层间的热传导路径；为了确保半导体晶粒与第二金属结构23及第三金属结构24完全接触，充分发挥出半导体晶粒的热电效应，第二金属结构23、第三金属结构24与P型半导体晶粒11或N型半导体晶粒12连接的部分略大于半导体晶粒11或12的截面，第二金属结构23、第三金属结构24、P型半导体晶粒11、N型半导体晶粒12组成了超结构单元完整电路；与外部电路的连接可通过第二金属结构23或第三金属结构24来完成，用于向超结构单元加载所需的电流，通过控制加载电流的大小和方向来实现顶层的表面温度的调节。
在微波入射波段频率[ν min,ν max]范围内，二极管组件22“通”态与二极管组件“断”态的反射幅值均大于0.9且两反射幅值之差≤0.1；反射相位差位于180°±37°范围内。可通过优化超结构单元的几何参数来满足上述要求。待优化的超结构单元的几何参数主要包括：顶层的第一金属结构21的形状和几何参数、第一基板31的厚度、第二金属结构23的形状和几何参数、半导体晶粒的几何参数和排列方式、第三金属结构24的形状和几何参数、第二基板32的厚度。
微波反射与红外辐射双谱段可调谐的超结构单元的设计方法为：
优化超结构单元的几何参数，使得二极管组件在“通”与“断”状态下，超结构单元对微波的反射幅值接近一致且幅值大于0.9，且反射相位差处于180°±37°范围内。待优化的热电超结构单元的几何参数主要包括：顶层的第一金属结构21的形状和几何参数、第一基板31的厚度、第二金属结构23的形状和几何参数、半导体晶粒的几何参数和排列方式、第三金属结构24的形状和几何参数、第二基板32的厚度。在预先确定上述结构和尺寸参数的情况下，可使用CST进行反射幅值和反射相位差的计算，若计算出的超结构单元对入射波段[ν min,ν max]的二极管组件“通”态与二极管组件“断”态反射幅值均大于0.9且两反射幅值之差≤0.1；且反射相位差位于180°±37°范围内，则超结构单元的几何参数满足设计要求，整个超结构单元能实现微波反射特性动态调控。
为了方便设计，本领域技术人员可以选择第一基板31和第二基板32为常规规格的板材，在板材确定后，其厚度根据现有材料标准厚度而选定；半导体晶粒也可从常规规格中进行选择，选定后即可获得半导体晶粒的几何参数为现有半导体晶粒的标准尺寸；第二金属结构23以及第三金属结构24的形状和几何参数可根据已选定的半导体晶粒形状和尺寸来确定。而由于常规半导体晶粒截面形状为矩形，因此为了更好的利用面积，半导体晶粒的排列方式可设置为矩形阵列排列。在后续CST仿真过程中保持上述设置不变，通过调整超结构单元内顶层的第一金属结构21的形状和几何参数，利用CST进行超结构单元反射幅值和反射相位差的计算，若计算出的超结构单元对入射波段频率范围[ν min,ν max]的“通”态与“断”态反射幅值均大于0.9且两反射幅值之差≤0.1；且反射相位差位于180°±37°范围内，则超结构单元的几何参数和形状满足设计要求。需注意，这里仅为本领域技术人员便于理解，介绍了一种如何选取超结构单元的具体几何参数的方法，原则上，只要超结构单元对入射波段[ν min,ν max]的二极管组件“通”态与二极管组件“断”态反射幅值均大于0.9且两反射幅值之差之差≤0.1；且反射相位差位于180°±37°范围内，则超结构单元的几何参数满足设计和使用要求，即这里并不对超结构单元的具体几何参数和形状进行限制。
图2给出了本实施例中超结构单元结构示意图。
本实施例中，采用上述设计方法得出该微波与红外双谱段可调超结构单元结构。第一金属结构21的两个结构呈镜像对称，形状为带孔“凸”字型结构，二极管组件22的位置设置在整个金属结构的中心。超结构单元为边长为9 mm的矩形，其第一基板31的厚度为1.524 mm，第二基板32的厚度为0.508 mm；将第二基板32表面等分成4×4个正方形的区域，每个区域中心位置摆放截面边长为1.0 mm，高3.0 mm的半导体晶粒，晶粒的边与超结构单元的边平行；半导体晶粒两端的电极，也就是第二金属结构23与第三金属结构24相比半导体晶粒截面宽度大于0.3 mm，从而确保与半导体晶粒之间良好连接；单个带孔“凸”字型结构总的长度为超结构单元的边长，即9 mm（图2中x向），总的宽度为2.5 mm（图2中y向）；凸起部分的长度与宽度分别为5.0 mm（图2中x向）和2.3 mm（图2中y向）；两个带孔“凸”字型结构之间的缝隙间隔为0.2 mm；“凸”字型结构凸起部分中心的中心矩形孔的长和宽分别为2.0mm（图2中x向）和1.0 mm（图2中y向）。
图3为本实施例中超结构单元反射特性仿真结果。
参照图3，设计的超结构单元在二极管组件“通”与“断”状态下，超结构单元对所选的入射波段，即微波段[5 GHz,12 GHz]的反射幅值接近一致且幅值大于0.9，在5.5~11.2GHz范围内反射相位差满足180°±37°的要求。所设计超结构单元的几何参数满足设计要求，整个超结构单元能实现微波反射特性动态调控。
图4为本实施例中超结构单元的表面温度变化曲线。
仿真计算中，超结构单元上表面热交换系数设为20 W/(m2·K)，上表面初始温度设为26℃；下表面热交换系数设为50 W/(m2·K)，温度设置成30℃、60℃、90℃、120℃和150℃五个不同的温度。参照图4，本实施例中的超结构表面的温度可以通过施加的电流进行有效调节。当改变电流方向时，超结构可以在制热和制冷两个工作模式下切换；为便于理解，结合附图1中所示的结构进行制冷、制热模式下，电流的流动方向说明。在制热工作模式下，P型半导体晶粒11中的电流由第三金属结构24流向第二金属结构23，N型半导体晶粒12中的电流由第二金属结构23流向第三金属结构24，随着加载电流的增大，顶层表面温度不断升高，见附图4中电流的负值部分；而在制冷工作模式下，P型半导体晶粒11中的电流由第二金属结构23流向第三金属结构24，N型半导体晶粒12中的电流由第三金属结构24流向第二金属结构23，随着加载电流的增大，顶层表面温度先降低再升高，这主要是因为随着加载电流的进一步增大，超结构单元中欧姆电阻发热增加，会使得表面温度上升，见附图4中电流正值部分；同时，在制冷工作模式下，相比于下表面的温度分别为30℃、60℃、90℃、120℃和150℃时，最大降温分别达到9.8℃、21.5℃、33.1℃、44.7℃和56.4℃。该计算结果证明了本实施例设计的超结构单元具备良好的表面温度调节功能，进而有效地实现红外辐射特性动态调谐。由于超结构是由多个超结构单元组成，超结构单元的表面温度即为超结构的表面温度。
本发明所述微波与红外双谱段可调超结构单元的制造方法为：
第一金属结构21、第二金属结构23、第三金属结构24以及金属反射层25优先选用金属铜，铜膜的厚度优选为20 μm，为了保护金属铜，对表面进行电镀镍金处理；半导体元件优选碲化铋半导体晶粒；为了保证热电超结构单元良好的热性能、兼容现有封装工艺要求，优先选用导热性能较好的层压板材料，如Rogers TC350™ Plus层压板、Rogers 92 ML™层压板等。为了保证加工效率，采用印刷电路板工艺来完成上层第一金属结构21、第二金属结构23、第三金属结构24以及金属反射层25的制作；二极管组件22采用手动方式与第一金属结构21进行焊接；半导体元件与第二金属结构23及第三金属结构24的连接采用现有的热电结构封装工艺。通过第二金属结构23或第三金属结构24与外部电路连接，用于向超结构单元加载所需的电流，通过控制加载电流的大小来实现顶层的表面温度的调节。
图5示意性示出了根据本公开实施例一种微波与红外双谱段可调超结构组成示意图。超结构包含N×N个超级单元，每个超级单元包含M×M个上述的超结构单元；N和M为正整数，其值可按所需要的超结构面积进行选择。
超结构具有多路相互独立的第一电路，第一电路由多个第一金属结构21与多个二极管组件22连接组成，第一电路均与外部电路连接，用于第一电路中二极管组件22“通”态与 “断”态的切换，进而实现对超结构的微波反射特性动态调谐。每组第一电路所具有的超结构单元数量，具体为第一金属结构21与二极管组件22数量可以相同，也可以不同；每组第一电路所具有的超结构单元数量可以根据微波反射特性动态调谐要求进行设置，只要所形成的超结构的处于“通”与“断”状态的二极管组件22数量可调，且能满足使用环境的反射率要求即可。参照图6（a）所示，为了便于第一电路的连接，减少线路复杂度，顶层每路第一电路沿图中的纵向进行设置；同时为了方便说明，每路第一电路所具有的超结构单元数量相同。超级单元共有X路第一电路（X为正整数），且每路第一电路所具有的超结构单元数量相同为
。假设超结构具有2×2个超级单元，超级单元包含10×10（M×M）个超结构单元，可沿图中纵向将超级单元分成10（X）路相互独立的第一电路，每路第一电路包括10（
）个纵向上相互连接的超结构单元，此时，超级单元内二极管组件22“通”与“断”状态可以10%的精度进行调节，如9路第一电路导通、1路第一电路断开，此时，“断”态二极管组件占比为10%，若8路第一电路导通、2路第一电路断开，此时，“断”态二极管组件占比为20%。同时，超结构内二极管组件22“通”与“断”状态可以2.5%的精度进行调节，如超结构内39路第一电路导通、1路第一电路断开，此时，“断”态二极管组件占比为2.5%，若38路第一电路导通、2路第一电路断开，此时，“断”态二极管组件占比为5%。若沿图中纵向将超级单元分成5（X）路相互独立的第一电路，每路第一电路包括2列共20（
）个串联的超结构单元，此时，超级单元内二极管组件22“通”与“断”状态可以20%的精度进行调节，如4路第一电路导通、1路第一电路断开，此时，“断”态二极管组件占比为20%，若3路第一电路导通、2路第一电路断开，此时，“断”态二极管组件占比为40%。
超结构还具有第二电路，第二电路由(N×M)×(N×M)个超结构单元的半导体元件、第二金属结构23和第三金属结构24串联连接组成，第二电路可通过任意第二金属结构23或第三金属结构24与外部电路相连，用于向超结构加载所需的电流，通过控制加载电流的大小来实现超结构顶层的表面温度的调节。
本发明还提供了一种微波与红外双谱段可调超结构的设计方法，所述方法包括以下步骤：
S1、优化超结构单元的几何参数，使得二极管组件在“通”与“断”状态下，超结构单元对微波的反射幅值接近一致且幅值大于0.9，且反射相位差处于180°±37°范围内。
S2、将M×M个优化得到的超结构单元阵列成一个超级单元，再由N×N个超级单元组成超结构。M与N为正整数，如附图3所示，M为3，N为5。
S3、对超结构的第一金属结构21进行连接，形成多路相互独立的第一电路，这些相互独立的第一电路由多个第一金属结构21与二极管组件22组成，并分别通过第一金属结构与外部电路相连，实现各路第一电路的二极管组件22“通”与“断”状态独立控制，进而实现对超结构的微波反射特性动态调谐。每组第一电路所具有的第一金属结构21与二极管组件22数量可以相同，也可以不同；每组第一电路所具有的超结构数量可以根据微波反射特性动态调谐要求进行设置，即对入射波段频率范围[ν min,ν max]，不同第一电路中二极管组件22“通”与“断”状态占比所对应的反射率满足使用要求。
S4、完成第二电路连接，通过与外部电路相连，控制电路的电流，实现对超结构表面温度的控制，进而实现对超结构的红外辐射特性动态调谐。
对于某种具体超结构顶层第一电路布置所具有的超结构的散射特性，可采用如下方法进行评估：
步骤一、当平面波垂直照射由超结构单元组成的超结构时，超结构的远场方向函数为：
式（1）中，
和
分别为平面波矢量方向对应的天顶角和方位角，k为平面波在自由空间中的波数，D为编码单元周期长度，
和
对应超结构中第m排n列对应的编码单元散射幅度和相位，
为第m排n列对应的编码单元远场方向图函数。
步骤二、超结构的方向系数为：
通过式（2）计算出具体超结构第一电路二极管组件“通”与“断”状态分布时超结构散射方向图。
根据以上计算结果与相同尺寸平板对比，可以得到超结构的反射率，从而验证超结构顶层不同二极管组件22“通”与“断”状态占比所对应的反射率是否满足使用要求，即超结构的微波反射特性是否均匀动态可调。
图6（a）和图6（b）为本实施例中超结构的微波反射特性调控过程示意图与反射率变化曲线图。
参照图6（a），本实施例中超结构的边长为198 mm，等分成四个正方形区域，如图中“1”、“2”、“3”和“4”所示，初始时超结构中所有的二极管组件皆为“断”的状态；通过外部加载电流，使得“1”和“4”对角区域中中心对称的位置的二极管组件逐渐转化成“通”的状态，随着“断”态二极管组件占比逐渐减少至50%，超结构的反射特性逐渐减弱，参照图6（b），图中曲线分别对应超结构中“断”态二极管组件占比为100%、88%、79%、68%、61%和50%时的反射率，结果表明了本实施例设计的超结构具备良好微波反射特性动态调节功能。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (10)
1.一种超结构单元，其特征在于，所述超结构单元微波与红外双谱段可调，且包含：
顶层，所述顶层包括由第一金属结构(21)和二极管组件(22)组成的第一层体、第二金属结构(23)组成的第二层体和第一基板(31)，所述第一基板(31)设置于所述第一层体与第二层体之间；所述第一金属结构(21)由两个分离的结构组成，该两个分离的结构通过所述二极管组件(22)进行连接，且所述第一金属结构(21)与外部电路相连；
底层，所述底层与所述顶层相对设置，且与所述第二层体之间距离由近及远处，所述底层依次包括由第三金属结构(24)组成的第三层体、第二基板(32)和金属反射层(25)；
半导体元件，所述半导体元件用于连接顶层与底层，且至少包括一对P型半导体晶粒(11)和N型半导体晶粒(12)，并分别与所述第二金属结构(23)和第三金属结构(24)相连，所述第二金属结构(23)或第三金属结构(24)与外部电路相连，组成控制顶层表面温度的电路。
2.根据权利要求1所述的超结构单元，其特征在于，所述二极管组件(22)具有两种状态：“通”态与“断”态，在微波入射波段频率范围内，所述“通”态与“断”态的反射幅值均大于0.9且两反射幅值之差≤0.1，以及反射相位差位于180°±37°范围内。
3.根据权利要求1或2所述的超结构单元，其特征在于，第一金属结构(21)由两个分离的镜像对称结构组成。
4.根据权利要求3所述的超结构单元，其特征在于，所述两个分离的镜像对称结构为带孔“凸”字型结构。
5.根据权利要求1或2所述的超结构单元，其特征在于，所述第一金属结构(21)、第二金属结构(23)、第三金属结构(24)以及金属反射层(25)材质为铜，铜的厚度为20 μm，并在铜表面电镀镍金。
6.根据权利要求1或2所述的超结构单元，其特征在于，采用印刷电路板工艺来完成第一金属结构(21)、第二金属结构(23)、第三金属结构(24)以及金属反射层(25)的制作。
7.一种由权利要求1~6中任一项所述超结构单元组成的超结构，其特征在于：
所述超结构包含N×N个超级单元，所述超级单元包含M×M个超结构单元；其中，M与N为正整数；
所述超结构具有多路相互独立的第一电路，所述第一电路由第一金属结构(21)与二极管组件(22)组成，所述第一电路均与外部电路连接；
所述超结构具有第二电路，所述第二电路由(N×M)×(N×M)个超结构单元的半导体元件、第二金属结构(23)和第三金属结构(24)串联连接组成，所述第二电路通过任意第二金属结构(23)或第三金属结构(24)与外部电路相连。
8.根据权利要求7所述的超结构，其特征在于，所述超级单元共有X路第一电路，且每路第一电路所具有的超结构单元数量相同为
，其中，X为正整数。
9.一种针对权利要求7所述超结构的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、优化超结构单元的几何参数，使得二极管组件在“通”态与“断”态下，超结构单元对微波的反射幅值均大于0.9且反射幅值之差≤0.1，以及反射相位差处于180°±37°范围内；
S2、将M×M个优化得到的超结构单元阵列成一个超级单元，再将N×N个超级单元组成超结构，其中，所述M与N为正整数；
S3、设计超结构的第一金属结构(21)的连接方式，形成多路相互独立的第一电路，所述相互独立的第一电路分别通过第一金属结构(21)与外部电路相连，以实现各路第一电路的二极管组件(22)“通”态与“断”态的独立控制；
S4、设计第二电路连接方式。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，每路第一电路所具有的超结构单元数量相同。
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