CN114498055A - 一种1-比特毫米波电控可编程超表面 - Google Patents

Abstract

本发明是一种1‑比特毫米波电控可编程超表面，其单元结构由人工设计的金属结构、变容二极管、介质衬底和金属背板构成，工作频率设定为毫米波频率区。其中金属结构为对称开缝型导电块结构，变容二极管为适用于毫米波太赫兹频率的GaAs变容二极管，介质衬底为石英。该结构基于新型人工电磁材料，可以通过调节变容二极管的反向偏压改变其电容值，进而调控超表面单元的幅度和相位，从而实现超表面单元的编码态切换和超表面阵列的远场波束操控。这是一种可编程的毫米波人工电磁表面，在毫米波无线通信和成像方面具有很好的应用前景。

Description

一种1-比特毫米波电控可编程超表面

技术领域

本发明涉及一种1-比特毫米波电控可编程超表面的结构、设计方法与应用技术，属于新型人工电磁材料的技术领域。

背景技术

人工电磁表面(超表面)，是由三维新型人工电磁材料(超材料)发展而来的二维结构，因其相对于三维超材料结构具有的体积小、重量轻、成本低、便于加工和应用等优势引起了研究人员的重视。特别是其新奇的物理性质已经成为了电磁学、物理学和材料科学等领域的研究热点。根据这些性质可以设计成随机表面、频率选择表面、定向辐射天线等各种功能电磁器件，从而实现对电磁波的任意调控，在毫米波通信、高分辨率成像和雷达等领域具有重要的应用。

对于这种二维的人工电磁表面，其单元可以进行独立的设计，从而实现每个单元独立调控电磁波的振幅和相位，由此可以获得更加复杂的场分布结果。基于这种相位或振幅的不连续性，可以将单元离散为有限类型并用数字代码描述它们。例如两种单元的反射相位相差180°，而振幅相近，则可以得到“0”和“1”两种编码；若有四种不同单元的相位依次相差90°，则可以得到“00”、“01”、“10”和“11”四种编码。为了进一步探索超表面的动态控制，许多有源技术已被集成到超表面的设计中，例如PIN二极管、半导体和微流体，以通过外部激发实现电磁响应调节。数字编码过程提供了一种简单有效的方法来设计超表面并使其可编程，将数字编码超表面与一些可编程器件，如微程序控制单元(MCU)和现场可编程门阵列(FPGA)相结合，实现了可编程超表面，能够实时切换呈现的功能。此外，随着这种数字编码超表面的快速发展，它进一步演变为在具有信息的分析和处理功能的信息超表面。

近年来，随着第五代(5G)和第六代(6G)无线通信的发展，信息超表面概念被提出并引起了学术界和业界的广泛关注，如可重构智能表面(RIS)、智能反射面(IRS)、大智能面(LIS)。本发明提出的方式，即在金属单元结构中引入变容二极管，采用编程控制电压的方式实时调控编码单元，进而改变单元的谐振特性和反射特性以实现“0”、“1”编码，是一种毫米波频段的智能反射单元，具有很大的创新性以及可行性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种1-比特毫米波电控可编程超表面。这种超表面结构由变容二极管、人工设计的金属结构、介质衬底和金属背板构成，可以在未加载偏置电压和加载偏置电压两种状态下得到不同的反射性质，具体表现为反射振幅接近、且反射相位相差180°，从而可以获得“0”和“1”两种编码的单元结构，并通过单元的排列实现对电磁波的操控。这种电控可编程毫米波超表面具有亚波长的单元尺寸且响应时间短，因此具有很好的应用前景。

技术方案：本发明的一种1-比特毫米波电控可编程超表面由多个亚波长单元组成二维阵列构成，纵向排列的亚波长单元顺序串联连接，横向排列的亚波长单元彼此分开，所述亚波长单元的结构主要包括变容二极管、金属结构、介质衬底和金属背板；其中，在介质衬底的背面设置金属背板，在介质衬底的正面设置金属结构，变容二极管连接在金属结构中。

其中，

所述金属结构是一种开缝对称型导电块结构，即两片导电块对称的位于开缝的两侧，两片导电块分别焊接上变容二极管的两端。

所述金属结构所用材料为金，其工作频率为毫米波频段。

所述变容二极管为GaAs变容二极管，结构为倒装芯片变容二极管。

所述介质衬底为石英玻璃，其介电常数为3.8。

所述金属背板所用材料为金，能有效抑制电磁波的透射，因此该1-比特毫米波电控可编程超表面为一种反射式的超表面。

所述变容二极管的电容值通过在两片导电块上施加不同反向电压进行调控，在设定的频率范围内，反向电压由0V增加至最大承受电压时，变容二极管的电容值逐渐减小。

所述电控可编程超表面，当电磁波垂直入射且电场方向平行于变容管焊接方向时，所述亚波长单元在未加载和加载反向偏压时，反射性质有明显区别，即在设定频率范围内实现反射振幅相近、相位相差180°，从而获得“0”和“1”两种编码态且能实时切换。

所述电控可编程超表面，根据不同的功能需求方案，计算得到不同的编码排列，采用现场可编程门阵列FPGA对加载在变容二极管两端的偏置电压的分布进行编程控制，实现反射相位分布的可重构，进而实现对毫米波波束的灵活操控，达到波束异常偏折、波束扫描和多波束赋形。

所述超表面单元为亚波长结构，其周期尺寸p为工作波长的1/3～1/2，且通过改变开缝宽度d1，以及金属导电块的结构参数即金属导电条宽度d2、金属导电条中间部分的宽度d3、金属导电条中间部分的长度w，改变超表面的工作频率。

有益效果：本发明具有以下优点：

1.本发明提供一种1-比特毫米波电控可编程超表面，相比于现有的编码超表面，具有电控可编程、可重构的特点。

2.本发明采用GaAs变容二极管调控单元的电磁特性，相比于其他有源调控方式，具有响应速度快、稳定性好等优点。

3.本发明通过设计电控可编程智能超表面单元，将可编程超表面的工作频率拓展到毫米波频率区，因此可以很大地拓展人们对毫米波的调控能力。

附图说明

图1是单元结构示意图。单元选用正方形结构，周期尺寸p，开缝宽度d1，金属导电条宽度d2、金属导电条中间部分的宽度d3、金属导电条中间部分的长度w，中心部分为焊接的变容二极管。

图2是反向电压为0V(0态)和24V(1态)时的反射系数S11振幅谱。

图3是反向电压为0V(0态)和24V(1态)时的反射系数S11相位谱。

图4为编码序列为1011001101100110的超表面的三维远场散射方向图，其中工作频率为94.4GHz，散射束与z轴所成的角度为40°。

图5为编码序列为0011001100110011的超表面的三维远场散射方向图，其中工作频率为94.4GHz，散射束与z轴所成的角度为32°。

图6为编码序列为0111100011011001的超表面的三维远场散射方向图，其中工作频率为94.4GHz，两组散射束与z轴所成的角度分别为19°和40°。

具体实施方式

本发明为1-比特毫米波电控可编程超表面，其单元结构如图1所示，其结构主要由变容二极管、人工设计的金属结构、介质衬底和金属背板构成。本发明选择的金属结构是一种对称开缝型导电块结构，其工作频率为毫米波频段，可以通过显微光刻方法获得，所用材料为金、厚度为100～300纳米。两片导电块充当焊接倒装式变容二极管的的焊盘，分别焊接上变容二极管的两端。介质衬底为石英片，其厚度为100～300微米，介电常数为3.8。金属背板所用材料为金，其厚度为100～300纳米，可以有效抑制电磁波的透射，因此这是一种反射式的人工电磁表面。

这种1-比特毫米波电控可编程超表面的工作原理如下。在线极化入射波垂直于谐振环平面、电场分量平行于变容二极管焊接方向的入射条件下，未加载反向电压时，变容二极管的电容值为最大值，此时单元结构的谐振频率ω₁，反射参数为S11(1)。加载反向电压后，变容二极管的电容值减小，因此单元结构的谐振性质发生变化，谐振频率移动到ω₂，反射参数为S11(2)。选择合适的工作频段，使得在两种状态下，单元的反射振幅相近，而相位相差180°，由此可以获得两种基本的编码单元，分别标记为“0”和“1”。将不同的编码单元排成特定的序列，则可以获得一定功能的超表面。由于单元结构是相同的，这大大简化了布阵的过程。此处，本发明将采用现场可编程门阵列(FPGA)与超表面阵列集成，对于特定功能需求的复杂阵列，可以将计算仿真得到的编码序列存入FPGA，并通过FPGA实现超表面编码状态的快速切换，进而获得所需的远场波束分布。

实施例1：如图1所示的结构单元，正方形单元的周期为p＝1400μm，开缝的宽度为d1＝70μm，金属导电块的宽度分别是d2＝170μm、d3＝170μm，宽边导电块的长度为w＝500μm。金属背板和金属结构中金属铜层的厚度均为300nm，石英片的厚度为200μm。变容二极管直接焊接在中心开缝处两边的金属上。加载0V反向电压时，变容二极管的电容为63fF，加载24V反向电压时，变容二极管的电容为30fF，由此得到“0”和“1”两种状态。

采用CST微波工作室对上述单元进行电磁仿真，得到的S参数如附图2和3所示。由图可知，在94.4GHz附近，两种状态下的反射系数S11振幅部分非常接近，均为-3.33db左右，而相位则相差180°，符合前述的编码超表面中“0”态和“1”态的要求。

电磁波垂直入射时，为抑制正反射波束并将其打散成两个斜角度为40°的散射波束，设计了编码序列为的1011001101100110阵列结构，其中将每一列单元组合成一个子阵进行布阵。电场分量延x方向，工作频率为94.4GHz时，超表面的三维远场散射方向图如图4所示。由图可知，正反射波束得到了显著抑制，且变成两个斜角度的散射波束，散射束与z轴所成的角度为40°。

实施例2：如图1所示的结构单元，正方形单元的周期为p＝1400μm，开缝的宽度为d1＝70μm，金属导电块的宽度分别是d2＝170μm、d3＝170μm，宽边导电块的长度为w＝500μm。金属背板和金属结构中金属铜层的厚度均为300nm，石英片的厚度为200μm。变容二极管直接焊接在中心开缝处两边的金属上。加载0V反向电压时，变容二极管的电容为63fF，加载24V反向电压时，变容二极管的电容为30fF，由此得到“0”和“1”两种状态。

电磁波垂直入射时，为抑制正反射波束并将其打散成两个斜角度为32°的散射波束，设计了编码序列为0011001100110011的阵列结构。单元在“0”和“1”两种状态间切换，只要调节每个子阵的电压分布即可，因此可以非常快速地切换阵列编码图案，实现可编程的目的。电场分量延x方向，工作频率为94.4GHz时，超表面的三维远场散射方向图如图5所示。由图可知，正反射波束得到了显著抑制，变成两个斜方向的散射波束，散射束与z轴所成的角度为32°。

实施例3：如图1所示的结构单元，正方形单元的周期为p＝1400μm，开缝的宽度为d1＝70μm，金属导电块的宽度分别是d2＝170μm、d3＝170μm，宽边导电块的长度为w＝500μm。金属背板和金属结构中金属铜层的厚度均为300nm，石英片的厚度为200μm。变容二极管直接焊接在中心开缝处两边的金属上。加载0V反向电压时，变容二极管的电容为63fF，加载24V反向电压时，变容二极管的电容为30fF，由此得到“0”和“1”两种状态。

电磁波垂直入射时，为抑制正反射波束并将其打散成两组斜角度分别为20°和40°的散射波束，设计了编码序列为0111100011011001的阵列结构。单元在“0”和“1”两种状态间切换，只要调节每个子阵的电压分布即可，因此可以非常快速地切换阵列编码图案，实现可编程的目的。电场分量延x方向，工作频率为94.4GHz时，超表面的三维远场散射方向图如图6所示。由图可知，正反射波束得到了显著抑制，变成两组斜方向的散射波束，两组散射束与z轴所成的角度分为19°和40°。

Claims (10)

1.一种1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于该超表面由多个亚波长单元组成二维阵列构成，纵向排列的亚波长单元顺序串联连接，横向排列的亚波长单元彼此分开，所述亚波长单元的结构主要包括变容二极管(1)、金属结构(2)、介质衬底(3)和金属背板(4)；其中，在介质衬底(3)的背面设置金属背板(4)，在介质衬底(3)的正面设置金属结构(2)，变容二极管(1)连接在金属结构(2)中。

2.根据权利要求1所述的1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于所述金属结构(2)是一种开缝对称型导电块结构，即两片导电块(22)对称的位于开缝(21)的两侧，两片导电块(22)分别焊接上变容二极管的两端。

3.根据权利要求2所述的1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于所述金属结构(2)所用材料为金，其工作频率为毫米波频段。

4.根据权利要求1所述的1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于所述变容二极管(1)为GaAs变容二极管，结构为倒装芯片变容二极管。

5.根据权利要求1所述的1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于所述介质衬底(3)为石英玻璃，其介电常数为3.8。

6.根据权利要求1所述的1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于所述金属背板(4)所用材料为金，能有效抑制电磁波的透射，因此该1-比特毫米波电控可编程超表面为一种反射式的超表面。

7.根据权利要求4所述的1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于所述变容二极管(1)的电容值通过在两片导电块(22)上施加不同反向电压进行调控，在设定的频率范围内，反向电压由0V增加至最大承受电压时，变容二极管的电容值逐渐减小。

8.根据权利要求1所述的1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于所述电控可编程超表面，当电磁波垂直入射且电场方向平行于变容管焊接方向时，所述亚波长单元在未加载和加载反向偏压时，反射性质有明显区别，即在设定频率范围内实现反射振幅相近、相位相差180°，从而获得“0”和“1”两种编码态且能实时切换。

9.根据权利要求8所述的1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于所述电控可编程超表面，根据不同的功能需求方案，计算得到不同的编码排列，采用现场可编程门阵列FPGA对加载在变容二极管两端的偏置电压的分布进行编程控制，实现反射相位分布的可重构，进而实现对毫米波波束的灵活操控，达到波束异常偏折、波束扫描和多波束赋形。

10.根据权利要求1所述的1-比特毫米波电控可编程超表面，其特征在于所述超表面单元为亚波长结构，其周期尺寸p为工作波长的1/3～1/2，且通过改变开缝宽度d1，以及金属导电块的结构参数即金属导电条宽度d2、金属导电条中间部分的宽度d3、金属导电条中间部分的长度w，改变超表面的工作频率。

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