CN114843790A - 一种多维度可调控数字编码超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多维度可调控数字编码超表面，包括M×M个超表面单元，超表面单元包括上层介质基板、金属地板、中层介质基板、上层反射挡板、下层介质基板和下层反射挡板，在上层介质基板上刻蚀有寄生枝节的金属贴片，金属贴片上设有PIN二极管，在下层介质基板上下表面分别设有上层反射挡板和下层反射挡板，在中层介质基板和下层介质基板下表面设有直流馈电网络；每组超表面单元通过直流馈线相连，并与单片机控制系统连接，通过切换PIN二极管上的偏压，实现电磁波极化的相互转换。超表面对垂直于表面入射的电磁波具有很强的调控功能，通过外部电路实时控制超表面阵列单元状态排布，可以实现异常反射，雷达截面缩减，极化旋转的功能。

Description

一种多维度可调控数字编码超表面
技术领域
本发明属于人工电磁表面技术领域，具体涉及一种用于可应用于雷达截面积缩减、电控可调控的多维度可调控数字编码超表面，可用于在8GHz-12GHz 频带内同时实现对同极化和交叉极化的调控。
背景技术
电磁超材料作为一种新技术，自诞生以来，因其独特的电磁特性而受到极为广泛的关注，并迅速发展成为涉及物理、化学、材料、信息等领域的前沿交叉学科。相较于早期只能实现单一功能的电磁超表面，多功能超表面可以实现对于电磁波的多个维度的调控，其应用场景也更加广泛，各个国家和机构都在不断推进多维超材料的工业化应用。
极化是电磁波的属性之一，极化旋转超表面就是借助超表面的各向异性，将入射电磁波的极化方向改变至另一方向上。一般来说，超表面可以分为两种类型：透射型和反射型，传统的超表面通常只能在反射状态或透射状态下工作，并且只有单一的功能。近年来，人们在微波波段提出了一些多功能超表面，它们可以对来波进行不同程度的调控，然而，一旦设计完成，这些超表面的功能就不会改变，针对传统超表面的缺陷，进一步提出了超表面可重构技术。
实现超表面可重构的技术可分为机械方式和电控方式两大类。机械重构速度慢、空间受限、控制复杂、精度易受机械误差影响；电控方式具有响应速度快、集成度高、设计灵活等突出优点，但结构相对复杂一些。最近，通过利用数字状态表征电磁参数，提出了编码超表面的概念，将信息层面的数字技术与物理层面的超表面技术直接联系起来，通过对不同状态的超表面单元进行预定功能的编码排列，即可实现对电磁波的既定调控。这种对超材料单元的编码方式大大减小了设计的复杂度，使得对超表面的设计更加灵活，并且能够保证对电磁波良好的调控效果。
随着编码超表面技术的发展，多功能超表面在近十年来发展迅速，具体应用包括极化转换，RCS减缩，天线的圆极化等领域。但是现有的多功能超表面，一般工作带宽窄、且只能针对电磁波的交叉极化进行调控，对同极化调控的研究很少，或是例如因为超表面自身结构原因，没有实现可重构的功能。例如， Chun sheng Guan在其发表的论文“Dual-polarized multiplexed meta-holograms utilizing coding metasurface”(NANOPHOTONICS，2020)提出的同时操纵交叉极化和共极化的方法，但因为系统结构复杂，无法进行可重构化设计，因此，现有的超表面应用场景受到一定限制。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种多维度可调控数字编码超表面，包括反射型可重构超表面和与其相连接的单片机控制系统，用于解决对同极化调控不足的问题。该超表面对垂直于表面入射的电磁波具有改变波束指向，改变极化的功能，且功能切换灵活。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种多维度可调控数字编码超表面，包括M×M个超表面单元，超表面单元包括自上而下依次分布的上层介质基板、金属地板、中层介质基板、上层反射挡板、下层介质基板和下层反射挡板，在上层介质基板上刻蚀有寄生枝节的金属贴片，在金属贴片上设有PIN二极管，在下层介质基板上下表面分别设有上层反射挡板和下层反射挡板，在中层介质基板和下层介质基板下表面设有直流馈电网络；
金属贴片穿过上层介质基板、金属地板、中层介质基板、上层反射挡板和下层介质基板的金属化过孔，与直流馈电网络连接；
每组超表面单元通过直流馈线相连，并与单片机控制系统连接，通过切换 PIN二极管上的偏压，实现电磁波极化的相互转换。
优选的，寄生枝节的金属贴片包括中心贴片、十字交叉型贴片和钻石型外围贴片，十字交叉型贴片与中心贴片之间开槽间断，通过PIN二极管连接，钻石型外围贴片环绕中心贴片分布。
优选的，PIN二极管与x轴呈45°角方向布置，通过改变开关二极管两端的偏置电压调控单元对电磁波的极化和相位。
优选的，中心贴片为缺角正方形金属贴片，缺角为正方形，并通过金属化过孔与金属地板相连。
优选的，所述十字交叉型贴片的宽度相同、长度不同，在贴片外侧通过半径不同的金属化过孔分别与中层介质基板和下层介质基板的直流馈电网络连接。
优选的，钻石型外围贴片为切去一个三角形的正方形结构，外围贴片正方形内角与中心贴片的缺角对应。
优选的，上层反射挡板和下层反射挡板上均分布有两个对称放置半径为R1 的圆形金属贴片。
优选的，直流馈电网络包括通过金属线相连的、按照相同周期排布且半径相同的圆形金属贴片，若干用金属线相连接的圆形金属贴片与x轴呈45度夹角，一根用金属线相连接的圆形金属贴片与x轴呈135度夹角。
优选的，上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板材料均采用介电常数为4.5的F4B，损耗角正切为0.0035；金属贴片、金属地板和金属反射挡板的材料均为铜。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
(1)本发明由于超表面单元中的贴片结构采用了钻石型寄生枝节，大大拓展了超表面的工作带宽，以及左旋圆极化或者右旋圆极化之间的转换，通过控制相位编码还能实现波束偏转、降低雷达散射截面的功能。
(2)本发明可通过电脑控制外部电路实时切换加载至开关二极管上的电压，从而实时切换超表面的工作状态。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。
(3)本发明具有频带覆盖范围宽、控制灵活、功能多样、实用性强等特点。超表面在8-12GHz频率范围内能够实现10dB雷达散射截面缩减。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2(a)-(e)为本发明单元结构示意图；其中图2(a)为单元整体结构示意图，图2(b)为俯视图，图2(c)为金属地板，图2(d)、图2(e)分别为两层金属反射挡板；
图3为本发明的4x4单元X型直流馈电网络结构示意图；
图4(a)-(c)为本发明对垂直入射的电磁波的交叉极化反射幅度和相位随开关二极管偏置电压变化仿真结果图，其中图4(a)是反射幅度，图4(b) 是反射相位，图4(c)是极化转换效率；
图5(a)-(b)为本发明对垂直入射的电磁波的同极化反射幅度和相位随开关二极管偏置电压变化仿真结果图，其中图5(a)是反射幅度，图5(b)是反射相位；
图6(a)-(c)为本发明设计的三种单元状态分布示意图和所对应功能的仿真结果图，其中，图6(a)为控制反射波波束指向，图6(b)为在X波段实现RCS缩减，图6(c)为可控反射波极化。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明实施例提供的一种自由操纵同极化波和交叉极化波的多维度可调控数字编码超表面，由完全相同的反射型超表面单元在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。在本实施例中，超表面单元总数为16×16个，沿x方向平均分为4组，超表面阵列中含有的超表面单元的数目为N，N＝256。每组超表面单元通过直流馈线相连，并与单片机控制系统的一个I/O端口连接，通过计算机输入控制每个单元的状态。
参照图2(a)所示，包括自上而下依次分布的上层介质基板3、金属地板4、中层介质基板5、上层反射挡板6、下层介质基板7和下层反射挡板8，在上层介质基板3上刻蚀有金属贴片1，在金属贴片1上设有PIN二极管2，在下层介质基板 7上下表面分别设有上层反射挡板6和下层反射挡板8，在金属贴片1、金属地板 4、中层介质基板5、上层反射挡板6和下层介质基板7上设有金属化过孔9，金属贴片1和金属地板4之间通过金属化过孔9连接。
在一个实施例中，上层介质基板厚度为H1，中层介质基板厚度为H2，下层介质基板厚度为H3，三层介质版的边长均为P，其中，H1＝2mm，H2＝0.25mm， H3＝0.25mm，P＝12mm，其中，L1＝2.8mm，W1＝0.375mm。
在一个实施例中，上层介质基板3、中层介质基板5和下层介质基板7材料均采用介电常数为4.5的F4B，损耗角正切为0.0035。介质基板的相邻两层之间用绝缘树脂垫片间隔。金属化过孔9连接金属贴片1和金属地板4并为PIN二极管提供接地负极，四周金属化过孔连接金属贴片1和反射挡板8并为PIN二极管提供控制正极，采用不同半径的金属化过孔可以影响超表面的工作带宽。
参照图2(b)所示，金属贴片1包括中心贴片2-1、十字交叉型贴片2-2以及环绕中心贴片的钻石型外围贴片2-3，外围贴片2-3分为四个，每一个都相同且环绕中心贴片2-1均匀设置；中心贴片2-1为缺角正方形金属贴片，缺角为正方形，外围贴片2-3为正方形切去一个三角形结构，外围贴片2-3与切角对应的角与中心贴片2-1的缺角对应；十字交叉型贴片2-2为四个以中心贴片2-1为中心对称的长方形结构，十字交叉型贴片的宽度相同但长度不同，在十字交叉型贴片2-2上分布有大小不同的两对过孔；十字交叉型贴片2-2与中心贴片2-1之间开槽间断，并分别用一个PIN二极管2连接。每一个开关二极管的正极朝十字贴片，负极朝中心贴片。PIN二极管2一端连接至十字交叉型贴片2-2，另一端连接至中心贴片 2-1，并通过十字交叉型贴片2-2上的金属化过孔9与下层直流馈电网络相连。
在预定义的正交x轴和y轴坐标系中，十字交叉贴片与x轴呈45°角放置，钻石型贴片低端与x轴或y轴平行。通过改变开关二极管两端的偏置电压调控单元对电磁波的极化和相位。
如图2(c)所示，金属地板4上对称分布有两对直径大小不同的过孔，分别与十字交叉型贴片2-2上的金属化过孔9的位置对应，用于隔离直流电路。
如图2(d)、图2(e)所示，上层反射挡板6和下层反射挡板8上均分布有两个对称放置半径为R1的第一圆形金属贴片6-1和第二圆形金属贴片8-1。
金属反射挡板，用于连接直流电路且反射泄露的电磁波。通过单片机控制系统控制超表面单元上PIN管两端的偏压，进而控制超表面单元所处的状态，通过实时控制不同超表面单元状态排布实现不同的功能。
在一个实施例中，金属贴片、金属地板和金属反射挡板的材料均为铜，厚度均为0.018mm或者0.035mm。每一个4x4大小的单元圆形反射挡板通过 X型交叉馈电网络相连并连接至外部馈源加载电压。
中心正方形贴片长度为L1，缺角长度为L2，其中，L1＝2.8mm，W1＝0.375mm。十字交叉型贴片，长度为L3，宽度为W1，另一侧长度为L4,宽度为W2,其中 L3＝4.7mm，W1＝1.6mm，L4＝4.85mm，W2＝1.6mm。钻石型贴片，底边长度为L5，长斜边长度为L6，短斜边长度为L7，其中L5＝3.53mm，L6＝3.8mm， L7＝1.3mm。
圆形反射挡板，半径为R1，R1＝2.3mm。中心金属化过孔半径为R2，四周金属化过孔半径分别为R3和R4，其中，R2＝0.15mm，R3＝0.34mm，R4＝0.22mm。
金属地板挖去的过孔半径分别为R5，R6，R5＝1mm，R6＝0.8mm。
参照图3，对本发明的直流馈电网络做进一步描述。
图3中，直流馈电网络位于中层介质基板5和下层介质基板7的下表面。包括通过金属线相连的、按照相同周期排布且半径相同的圆形金属贴片，圆形金属贴片半径均为2.3mm，若干用宽度为0.2mm的金属线相连接的圆形金属贴片与x 轴呈45度夹角，一根用宽度为0.5mm的金属线相连接的圆形金属贴片与x轴呈 135度夹角。金属线的宽度会影响阻交流能力，宽度越小，通直阻交效果越好。
参照图4(a)-(c)，为了验证多维度可调控数字编码超表面的可实现性，我们采用PCB工艺对超表面进行了加工，并通过波峰焊技术将开关二极管焊接到超表面贴片上。
参照图5(a)、(b)，为了验证单片机控制系统的可实现性，我们采用PCB工艺对单片机控制系统进行了加工，并通过连接的LED灯来判断超表面上对应二极管的工作状态。
下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的描述。
具体多维度可调控数字编码超表面单元电磁特性分析如下。
为了说明多维度可调控数字编码超表面单元的电磁特性，采用商业仿真软件ANSYS HFSS对参考图2(a)的单元结构进行建模仿真。
参照图4(a)所示，当x极化电磁波垂直入射时，改变开关二极管的偏置电压使超表面工作在状态“1”和状态“0”，超表面单元在8-12GHz带宽内，同极化反射系数低于-10dB，如图4(b)所示两种状态的交叉极化反射相位差为180°，如图4(c)所示，单元极化转换效率大于90％。
参照图5(a)、5(b)为本发明在8-12GHZ带宽内对同极化调控的仿真曲线图。如图4(a)8-12GHz范围内，改变开关二极管的偏置电压使超表面工作在状态“3”和状态“4”，对同极化呈现全反射效果，如图4(b)所示两种状态的同极化反射相位差为180°±30°。
参照图6(a)为本发明分别为所设计的三种功能相应的单元状态分布示意图和所对应功能的仿真结果图。
参照图6(a)为所示的控制波束偏折的功能，波束偏折由x极化的喇叭馈源激励，喇叭馈源和超表面天线之间的距离大于2L2/λ，此时喇叭辐射的电磁波在到达超表面时可以近似为平面波。超表面沿x方向为线性分布，且单元之间相位差为180°，通过00…11方式排布，计算得到的理论偏折角度分别为45°和135°，如图参照图6(a)左侧所示是超表面单元状态分布示意图，参照图6(a)右侧是所对应功能的仿真结果图，仿真结果表明，两个波束角度分别为45°和135°，这与理论计算值一致，证明了设计的正确性。
参照图6(b)为在X波段实现RCS缩减的功能，雷达散射截面缩减同样由喇叭馈源激励，其激励方式与控制波束偏折功能类似。喇叭馈源和超表面天线之间的距离大于2*L2/λ，满足远场条件，参照图6(b)左侧所示是超表面随机编码下的单元状态分布示意图，参照图6(b)右侧所示是所对应功能的仿真结果图。仿真结果表明，通过对超表面单元进行随机编码，与同尺寸的金属反射板相比，超表面在8-12GHz频率范围内实现了10dB雷达散射截面缩减，证明了设计的正确性。
参照图6(c)为可控极化旋转器的功能，同样由X极化的喇叭馈源激励，其激励方式与控制波束偏折功能类似。喇叭馈源和超表面天线之间的距离大于 2*L2/λ，满足远场条件，参照图6(c)左侧所示是超表面单元状态分布示意图，在超表面单元都工作在状态“1”或状态“0”时，超表面呈现极化旋转器的功能；在超表面单元都工作在状态“3”或状态“4”时，超表面呈现金属反射板的功能。参照图6(c)右侧所示是所对应功能的仿真结果图，仿真结果与理论一致，证明了设计的正确性。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，包括M×M个超表面单元，超表面单元包括自上而下依次分布的上层介质基板、金属地板、中层介质基板、上层反射挡板、下层介质基板和下层反射挡板，在上层介质基板上刻蚀有寄生枝节的金属贴片，在金属贴片上设有PIN二极管，在下层介质基板上下表面分别设有上层反射挡板和下层反射挡板，在中层介质基板和下层介质基板下表面设有直流馈电网络；
金属贴片穿过上层介质基板、金属地板、中层介质基板、上层反射挡板和下层介质基板的金属化过孔，与直流馈电网络连接；
每组超表面单元通过直流馈线相连，并与单片机控制系统连接，通过切换PIN二极管上的偏压，实现电磁波极化的相互转换。
2.根据权利要求1所述的多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，所述寄生枝节的金属贴片包括中心贴片、十字交叉型贴片和钻石型外围贴片，十字交叉型贴片与中心贴片之间开槽间断，通过PIN二极管连接，钻石型外围贴片环绕中心贴片分布。
3.根据权利要求2所述的多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，所述PIN二极管与x轴呈45°角方向布置，通过改变开关二极管两端的偏置电压调控单元对电磁波的极化和相位。
4.根据权利要求2所述的多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，所述中心贴片为缺角正方形金属贴片，缺角为正方形，并通过金属化过孔与金属地板相连。
5.根据权利要求2所述的多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，所述十字交叉型贴片的宽度相同、长度不同，在贴片外侧通过半径不同的金属化过孔分别与中层介质基板和下层介质基板的直流馈电网络连接。
6.根据权利要求2所述的多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，所述钻石型外围贴片为切去一个三角形的正方形结构，外围贴片正方形内角与中心贴片的缺角对应。
7.根据权利要求1所述的多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，上层反射挡板和下层反射挡板上均分布有两个对称放置的圆形金属贴片。
8.根据权利要求1所述的多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，所述直流馈电网络包括通过金属线相连的、按照相同周期排布且半径相同的圆形金属贴片，若干用金属线相连接的圆形金属贴片与x轴呈45度夹角，一根用金属线相连接的圆形金属贴片与x轴呈135度夹角。
9.根据权利要求1所述的多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，所述上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板材料均采用介电常数为4.5的F4B，损耗角正切为0.0035；金属贴片、金属地板和金属反射挡板的材料均为铜。
10.根据权利要求1-9任一项所述的多维度可调控数字编码超表面，其特征在于，超表面在8-12GHz频率范围内达到10dB雷达散射截面缩减。
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