CN210516995U - 一种辐射和散射一体化信息超构材料表面及其应用 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种辐射和散射一体化的信息超构材料表面，所述信息超构材料表面由周期或者非周期排布的人工电磁结构单元构成，同时具有辐射电磁场/波调控和散射电磁场/波调控的能力，构成所述信息超构材料表面的单元至少具有1‑比特的单元码元，所述信息超构材料表面至少在一个电磁物理域内可进行调控。该信息超构材料表面解决了传统的超表面单一的只应用于散射或者辐射领域的局限性问题，同时具备对电磁波在时‑空‑频‑极化等多维电磁物理空间实时调控的能力，即具有更为强大的综合调控能力，在高性能天线、智能天线、新体制雷达、新体制通信系统、减小雷达散射截面等都具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料表面技术领域，尤其涉及一种辐射和散射一体化信息超构材料表面及其应用。
背景技术
超构材料是指具有亚波长尺度的单元按一定的宏观排列方式(周期性或非周期性)形成的人工复合结构。由于其基本单元和排列方式都可任意设计，因此能突破传统材料在原子或分子层面难以精确操控的限制，构造出传统材料与传统技术不能实现的超常规媒质参数，进而对电磁波进行高效灵活调控，实现一系列新奇的物理特性和应用。近二十年来，超构材料一直是物理和信息领域的国际前沿，以等效媒质理论为基础，在变换光学等方法指导下，新型电磁结构设计不断涌现，例如电磁隐身衣、隐身地毯、完美吸波体、电磁黑洞等，引起了世界各国科学家和政府组织的高度关注。
过去二十余年超构材料一直以等效媒质为核心，但基于等效媒质的超构材料很难实时地操控电磁波。从电路角度，具有连续媒质参数的超构材料可称为模拟超构材料。为了实现“数字版”的超构材料，我国学者和美国宾夕法尼亚大学Engheta课题组相互独立地提出了数字超构材料的概念。Engheta等提出通过空间混合的“数字超构材料位”来构建“超构材料字节”的方法，以实现所需的媒质参数(Nature Materials，2014年9月14日在线发表)，其中“数字超构材料位”由不同媒质参数(例如正介电常数和负介电常数)的材料粒子构成，因此Engheta工作的核心是用数字位的手段来描述等效媒质，仍属于等效媒质超构材料的范畴。由于实际操作的复杂性，Engheta的工作至今没经过实验验证。与此同时，崔铁军等创造性地从信息科学角度研究超构材料，摒弃了等效媒质的表征方法，提出用数字编码来表征超构材料的新思想，即信息超构材料，通过改变数字编码单元的空间排布来控制电磁波(Light:Science&Applications，2014年9月9日正式录用，2014年10月24日在线发表)。该思想不但被实验所证实，而且开拓出一个新领域，为超构材料技术的发展开辟了新方向。
本发明中涉及的信息超构材料，或称为数字电磁超材料、电磁编码超材料，可将电磁模拟信号数字化，智能实时地调整材料的电磁信息特性，以适应或改变周围电磁环境，即具备对电磁波在时-空-频-极化等多维电磁物理空间实时调控的能力，其重要特征之一就是能够直接处理数字编码信息。比如，1-比特的信息超构材料由“0”和“1”的单元码元来分别表征0和π的相位响应，然后按照一定规律排列这样的“0”和“1”的单元码元构成超构材料表面(或称超构表面、超表面)，以实现所需的设计功能；而2-比特的信息超构材料由“00”、“01”、“10”和“11”等单元码元来分别表征0、π/2、π和3π/2等的相位响应，以此进行单元排列、构成特定功能的超构表面；以此类推，多比特的单元码元则选用相位差基本保持稳定的有限种电磁超构材料单元形式，按一定的编码规律进行排列，具有2N种状态特性，其中N代表比特数，构成所需功能的超构表面。多比特超构表面具有与1比特超构表面相同的数字化设计的优点，且具有更多的编码组合，因此对电磁波的调控更加自由，能实现的功能更加丰富、调控效果更优。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出供一种具有辐散一体化的信息超构材料表面，解决传统的超表面单一的只应用于散射或者辐射领域的局限性问题，同时具备对电磁波在时-空-频-极化等多维电磁物理空间实时调控的能力。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种辐射和散射一体化的信息超构材料表面，所述信息超构材料表面由周期或者非周期排布的电磁结构单元构成；
所述电磁结构单元具有N-比特的单元码元，该单元可以对电磁场/波实现稳定的相位差的2N种相位-频率响应状态，N大于等于1；
该信息超构材料表面同时具有辐射电磁场/波调控和散射电磁场/波调控的能力，而且所述信息超构材料表面至少在一个电磁物理域内可进行电磁场/波的调控。
进一步的，电磁结构单元可以进行相位编码、或者幅-相编码、或者时域-空域编码分布排列，实现至少在一个电磁物理域的电磁功能。
进一步的，电磁结构单元为有源的可重构调控单元。
进一步的，所述电磁结构单元可以由PIN二极管、变容二极管、FET管、MEMS器件、液晶类、石墨烯类、或者铁电类基材任一种或多种器件对辐射和散射的电磁场/波进行调控。
进一步的，所述信息超构材料表面可以对辐射和散射的电磁场/波进行幅度、相位、频率、极化任一种物理域调控/调制或多种物理域同时进行综合调控/调制，实现特定的电磁功能。
进一步的，所述信息超构材料表面辐射的激励方式可为通过初级馈源照射的空馈方式、单次反射的空馈方式，多次反射的空馈方式、透射传输的空馈方式、馈电网络构成的线馈方式、兼有透射传输和反射的复合空馈方式、兼有空馈和线馈的复合空馈方式。
此外，本发明还提出一种阵列天线，该阵列天线的阵面采用上述任一项的辐射和散射一体化的信息超构材料表面。
此外，本发明还提出一种天线罩或雷达罩或通信窗电磁外罩，该天线罩、或雷达罩、或通信窗电磁外罩表面采用上述任一项的辐射和散射一体化的信息超构材料表面。
此外，本发明还提出一种智能蒙皮，该智能蒙皮表面采用上述任一项的辐射和散射一体化的信息超构材料表面。
此外，本发明还提出一种电磁调控表面，该电磁调控表面采用上述任一项的辐射和散射一体化的信息超构材料表面。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明提出的所述辐射和散射一体化的信息超构材料表面，除了具有传统超材料表面和现有信息超构材料表面的调整材料的电磁信息特性、以调控电磁波/场的特征，进一步解决了传统的超表面单一的只应用于散射或者辐射领域的局限性问题，同时具备对电磁波在时-空-频-极化等多维电磁物理空间实时调控的能力，即具有更为强大的综合调控能力，在高性能天线、智能天线、新体制雷达、新体制通信系统、减小雷达散射截面等都具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是一种典型2-比特信息超构材料表面实例。
图2是一种典型2-比特信息超构材料表面对电磁/波的调控机理的示意，其中：a-c分别为不同的编码周期性排列的示例；d-f分别对应上述编码的不同调控的波束效果。
图3是一种辐射和散射辐射和散射一体化的1-比特信息超构材料表面的实施例，其中：a为典型的1-比特信息超构材料单元的实施例；b为由上述1-比特超构单元构成的辐射和散射辐射和散射一体化信息超构材料表面的实施例。
图4是上述辐射和散射辐射和散射一体化的1-比特信息超构材料表面的辐射和散射波束调控效果的示例，其中：a为辐射和散射辐射和散射一体化的1-比特信息超构材料表面的辐射调控的机理示意；b-c分别为不同的编码周期性排列的实现的辐射波束调控的效果示例；d为辐射和散射辐射和散射一体化的1-比特信息超构材料表面的散射调控的机理示意；b-c分别为不同的编码周期性排列的实现的散射波束调控的效果示例。
图5是一种辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的实施例，其中：a为辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的结构示例；b为典型的线馈式2-比特信息超构材料单元的实施例，c为b所示实施例单元的中间层示意图，d为辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的散射调控的效果示例；e-f为辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的辐射调控的效果示例。
图6是一种辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的实施例，其中：a为辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的结构示例；b为辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的单元的实施例；c为辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的散射调控的效果示例；d为辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的辐射机理；e为辐射和散射辐射和散射一体化的2-比特信息超构材料表面的辐射调控的效果示例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中，以在较宽频带内相差保持基本稳定相位差的有限种类的人工电磁超构材料单元作为基本编码单元，通过设计不同的编码组合，构成能实现特定功能的信息超构材料表面，如图1所示，是由2-比特信息超构材料的单元构成的典型信息超构材料表面实例，它由N×N个周期性栅格组成，每个栅格由代表同一编码的超构材料单元阵列构成，选取有限数量种类的(比如，1、2、3等种)特定电磁单元表征的相位状态作为基本码元，通过物理尺寸结构变化或者等效电磁的结构的变化来实现调幅、调相功能，按照一定的规律进行编码排列，从而控制电磁波，以实现所需功能。所述2-比特码元，即由“00”、“01”、“10”和“11”单元码元来分别表征0、π/2、π和3π/2的相位响应。
下面通过图2所示的实例来说明不同编码排列对电磁场/波的调控机理，以平面波作为激励源，a表征的是全“10”码元表征的信息超构材料表面，b表征的是“00”和“10”码元间隔排列的信息超构材料表面，c表征的是“00”、“01”/“11”、“10”周期性排列的信息超构材料表面，而d、e、f分别对应的是a、b、c表面排列的散射场方向图，通过不同的相位量的排列组合，可以形成单聚焦波束、关于法线对称的四波束、以及关于法线对称、均匀分散的多波束；此外，还可以通过不同的相位排列构成波束的任意角度的偏折、甚至漫反射等。
进一步，根据电磁场的互易性和等效原理，辐射场可以和散射场进行类比，只是激励源不同、但所对应的电磁场的波动机理和开域的边界条件都是一致的，所以信息超构材料表面对于电磁场/波调控能力可以表现为辐射和散射辐射和散射一体化的特征，在信息超构材料表面的基础上，配套相应的激励源，可以实现一个或多个域的调控。
下面结合具体的应用形态进一步说明辐射和散射一体化信息超构材料表面的具体实施例。
如图3a所示，典型的1-比特信息超构材料单元31由多边形金属贴片或者金属贴片对结构301、PIN二极管302、介质基板303、参考地304、直流偏置线305构成，这样的单元即构成人工电磁超构材料单元；金属贴片对结构301在介质基板303的上表面，PIN二极管302表贴在金属贴片对结构301上，跨接金属贴片对，参考地304在介质基板303的下表面，直流偏置线305穿过参考地304与金属贴片结构301相接，为PIN二极管302提供所需的偏置直流；超构材料单元31通过二极管302的工作状态来表征“0”和“1”两种编码状态，比如导通时为0状态，截止时为1状态，分别表示在工作频段内反射相位差为π的情况。
如图3b所示，由上述的1-比特信息超构材料单元31构成的M×N个重复周期性排列的信息超构材料表面32，加上初级激励的馈源33，即构成1-比特辐射和散射辐射和散射一体化的信息超构材料表面的反射式应用形态。该信息超构材料表面通过一组或者多组排插或者排线的方式连接相应的驱动电路34，驱动电路34也通过另外一组或者多组排插或者排线方式和控制电路35连接，实现具体的调控功能。其中，驱动电路34包含驱动二极管302工作的使能芯片306、运放芯片307，每个驱动通道分别与单元31上的每个二极管302相连；而控制电路35可以由一种或几种逻辑数字芯片，如CPLD、FPGA，或者DSP信号处理芯片，或者ARM、RISC-V及单片机芯片等构成，控制芯片的每个I/O脚或者使能脚分别与每个驱动通道相连，由此构成整个信息超构材料表面32的单元控制方式。
每一个控制电路35上的控制通道对应一个或者一组使能芯片306和/或运放芯片307，而每一个使能芯片306和/或运放芯片307对应信息超构材料表面32上的一个或者一组PIN二极管302。信息超构材料表面32、驱动电路34、以及控制电路35可以用过插座或者高速总线等形式将信号连结起来，可以通过多层压合的PCB工艺整体实现。
如图4a所示，当信息超构材料表面表现为辐射特性时，馈源43作为初级激励，照射到信息超构材料表面42上，反射电磁场形成聚焦的波束44实现电磁波的信号发射；根据互易原理，信号接收的过程与信号发射的过程正好相反。则对于反射式的M×N个重复周期性排列的信息超构材料表面42，通过对信息超构材料表面42上的信息超构材料单元41进行编码，对表面32上单元31按照不同的“0”、“1”码元进行排列，可实现形成不同的波束，其波束44的方向图表达式为：
其中，
为信息超构材料单元41的反射电场方向图，θ和
分别位球坐标系下的空间方位角度，fF(θ)为馈源43的电场方向图，θfmn为馈源到阵中心连线与馈源到第(m,n)个超构材料单元41连线的夹角，k为自由空间波数，
为第(m,n)个超构材料单元41的位置矢量，
为馈源43的位置矢量，
为单位方向矢量，θemn为阵面法向与馈源到第(m,n)个超构材料单元41连线的夹角，
为第(m,n)个超构材料单元41的编码对应的相位值，即对于1-比特的码元，“0”码元表征0离散相位值，“1”码元表征π离散相位值，从信号发射过程看，通过馈源43按位置矢量
照射到信息超构材料表面42上，形成方向矢量
的反射波束；信号接收的过程与此互易。如图4b和图4c所示，通过上述表达式中相位值
即码元的排列，可以实现球坐标系下空间角(30°，315°)方向和(45°，135°)方向的波束，不失一般性地，通过对信息超构材料表面42上的信息超构材料单元41进行编码排列，可以实现球坐标系下0°≤θ≤90°、
的任意空间指向的波束、即实现波束方向的扫描。
进一步，如图4d所示，当信息超构材料表面42表现为散射特性时，外部激励为远处照射到信息超构材料表面42上的平面波45，然后通过信息超构材料表面42形成散射场/波束47，对于M×N个重复周期性排列的信息超构材料表面42，通过对信息超构材料表面42上的信息超构材料单元41进行编码，可实现不同指向的波束、或者不同形状的波束，其波束47的方向图表达式为：
其中，
为信息超构材料单元41散射电场方向图，θ和
分别位球坐标系下的空间方位角度，d为信息超构材料单元41的周期间隔，
为第(m，n)个超构材料单元41的编码对应的散射相位值，即对于1-比特的码元，“0”码元表征0离散相位值，“1”码元表征π离散相位值。如图4e和图4f所示，通过上述表达式中相位值
即码元的排列，比如，图4e对应的相位编码按照对角梯度排列，图4f对应的相位编码按照“0”和“1”单元码元行列均间隔排列，则可以实现分叉方向特定的波束偏折和能量均匀分散的漫反射波束，不失一般性地，通过对信息超构材料表面42上的信息超构材料单元41进行编码排列，可以实现特定的波束成形特性。综上所述，对于同一个信息超构材料表面42，从硬件上表征为辐射和散射辐射和散射一体化的特征，通过对信息超构材料单元41的编码进行排列，即进行通过不同位置的单元41重构其有源器件的状态来实现实时编码，如PIN二极管或者FET管的通断、MEMS开关的通断、变容二级管的不同容值等、配合人工电磁结构，表现出不同的幅度和相位响应的状态，从而形成不同的编码，实现辐射或者散射的特定波束。再进一步，通过变容二级管的电压连续控制，甚至可以构成连续可调的相位状态，构成连续可变的模拟码元，使对电磁波/场的调控更为精细。
不失一般性，对于信息超构材料单元31的编码状态改变，也可以通过改变介质基板303的特性来实现，比如通过改变加载在液晶、石墨烯、铁氧体等材料的偏置电压值或者电流值来实现介质基材的等效相对介电常数εreff或者等效相对磁导率μreff的不同状态，不同的等效相对介电常数εreff或者等效相对磁导率μreff表现出不同的相位响应值，通过选择2种甚至2N种等差的相位状态、甚至连续可调的相位状态，以此来实现特定的1-比特或者多-比特单元码元、甚至连续可变的模拟码元，进一步由此单元构成的信息超构材料表面，对电磁波/场的调控方式可与上述图3所示的相类似。
下面再结合图5进一步说明辐射和散射一体化信息超构材料表面的又一具体实施例。
如图5a和5b所示，为一个2-比特线馈式信息超构材料表面51的应用形态，由典型的2-比特信息超构材料单元52、馈电网络53、驱动电路54、控制电路55构成，每个单元52分别与馈电网络53的串/并联通道相连、构成射频信号的通道；同时，每个单元52与驱动电路54上每个驱动通道通过一组或多组排线或者排插相连，而驱动电路54上每个驱动通道再通过另外一组排线或者排插与控制电路55上控制芯片的I/O脚或者使能脚相连，以此构成驱动控制电路。
其中，信息超构材料单元52由PIN二极管521、时延/移相网络522、辐射贴片523、馈电点524、直流偏置线525、介质基板526构成；单元52为多层电路结构，如图5c为图5b所示实施例的单元52的中间层，即：馈电点524位于辐射贴片523表面，辐射贴片523位于介质基板526的顶层，直流偏置线525与辐射贴片523的一侧相连，通过馈电点524为PIN二极管521提供驱动电流；馈电点524以过孔形式将顶层的辐射贴片523与中间层的时延/移相网络522相连通；时延/移相网络522位于介质基板526的中间层，内部各传输段通过PIN二极管521连通，同时中心馈电贴片527通过PIN二极管521与时延/移相网络522相连；馈电网络53位于介质基板526底层，中心馈电贴片527通过中心过孔与介质基板526底层的馈电网络53相连通。
当作为散射单元时，与上述1-比特信息超构材料单元31相似，在平面波的照射下，通过通断延时线网络522上不同的PIN二极管521的组合，辐射贴片523上的感应电流通过不同编码的延时线网络522，形成不同的反射延时，可以构成“00”、“01”、“10”和“11”单元码元来分别表征0、π/2、π和3π/2的散射相位响应。因此，2-比特线馈式信息超构材料表面51的散射场与(2)式一致。
当作为辐射单元时，射频信号通过馈电网络进行传输和激励，同时通过通断不同的特定的PIN二极管521的组合，可以使辐射贴片522的不同状态的延时网络的馈电激励下，来形成0、π/2、π和3π/2等的辐射相位响应。进一步，通过调节加载在PIN二极管521的不同偏置电流或者电压，可以等效调节PIN二极管的等效内电阻，来实现进一步实现散射/辐射场的幅度变化，由此可以构成每个单元幅度分布的权值。因此，M×N个重复周期性排列的线馈式2-比特信息超构材料表面51的辐射场表达式为：
其中，
为信息超构材料单元52的辐射电场方向图，θ和
分别位球坐标系下的空间方位角度，wmn为第(m,n)超构材料单元52的幅值，k为自由空间波数，
为第(m,n)个超构材料单元52的位置矢量，
为单位方向矢量，
为第(m,n)个超构材料单元52的编码对应的相位值，即对于2-比特的编码，“00”码元表征0离散相位值，“01”码元表征π/2离散相位值，“10”码元表征π离散相位值，“11”码元表征3π/2离散相位值。需要说明的是，这里的2-比特概念是指相位响应对应的码元位数，而增加幅度调节的意义在于加入更复杂的调节能力，可以在波束成形的基础上，对波束进行进一步的幅度调制。
如图5d所示，为信息超构材料表面52表现的散射特性示例，对应特定的编码排列，通过调节加载在二极管521上不同的偏置电压、以改变二极管521内部的等效内电阻，使每个单元52对正向照射的平面波表现出不同的反射率值，可以对正向反射方向的RCS表现为不同的RCS缩减程度。
进一步，如图5e和图5f所示，为信息超构材料表面52表现的辐射特性示例，对应特定相位响应的编码组合，不同的偏置电压分布的形成球坐标系下空间角(30°,0°)和空间角(50°,90°)波束方向图，可以看出在相同的相位响应的编码组合，波束表现为同一指向，但是由于不同的偏置电压分布，表现为不同的幅度分布，可以看出对于波束旁瓣的抑制效果，这个与经典相控阵的分析与综合理论是一致的。
需要说明的是，这里的“线馈”方式是指使用传输线构成馈电网络的方式，传输线的形式不局限于微带线、带状线、共面波导、波导、人工等离激元(SPP)传输线、以及其他传输线等的方式。
下面再结合图6进一步说明辐射和散射辐射和散射一体化信息超构材料表面的又一具体实施例。
如图6a和6b所示，为一种多比特信息超构材料表面61的应用形态，由周期性排列的典型的多比特的信息超构材料单元62、驱动和控制电路63等构成，再加上底板64和初级馈源65组成了多比特的辐射和散射辐射和散射一体化的复合空馈式的应用形态，驱动和控制电路63位于底板64的下面、通过一组或多组排线或者排插与超构材料表面61相连接，初级馈源65位于底板64的上表面；超构材料表面61与底板64可以通过支柱或者机壳等结构相连接、固定。
其中，信息超构材料单元62由变容二极管621、PIN二极管622、开口金属环加方形贴片组合构成金属结构623、直流偏置线624、过孔625构成。其中，方形贴片位于开口金属环中心，组合金属结构623位于介质基板上表面，变容二极管621分别在水平和垂直方向两边都跨接组合金属结构623的开口金属环与方形贴片、而PIN二极管622仅需在水平和垂直方向单边跨接组合金属结构623的开口金属环与方形贴片，直流偏置线624在方形贴片中心、穿过介质基板下层最终接到与驱动和控制电路63相连接的排线或者排插通道上，而过孔625在开口金属环上、连接到介质基板下层的参考地上，由此构成偏置直流的回路。
对于这个单元62的实例，变容二极管621在不同的偏置电压下表征不同的电容值，使超构材料人工结构623的相位响应也对应发生改变，由于电压模拟量的控制是将数字控制信号通过N位的数/模转换芯片转化得到的，即将连续的模拟量数字位数化，所以就构成了N-比特的相位状态，即构成了2N种码元，也就是实现了多比特的单元编码。
另一方面，通过通断不同的PIN二极管622组合，可以切换不同的电流馈入的方向，因为PIN二极管622具有开关特性，在此处应用时，通过PIN二极管622完全导通状态下使并联的变容二极管621被短路、从而使被短路方向上的电调节不起作用，由此实现信息超构材料表面61的电场极化的选择及转换。
当信息超构材料表面61在平面波的照射下，其散射波束的调控与上述散射调控的机理和方式一致，通过改变不同的偏置电压，使变容二极管621得到单元62的不同相位响应，则信息超构材料表面61在单元62的不同编码组合下，同理遵循上述散射的调控机理，实现散射波束的偏折、或者漫反射等；进一步，如图6c所示，可以通过对PIN二极管622的通断组合来进行极化控制的调节，使反射波束632在波束偏折的基础上、其电场极化与入射平面波的电场极化631成形正交相异的效果。
如图6d所示，为复合空馈式多比特的辐射和散射一体化的表面应用实例的辐射工作机理，优选地，信息超构材料表面61与底板64的间隔为0.45～0.55倍波长，而信息超构材料表面61的下表面641为部分反射表面，其反射率优选0.8～0.95，则在信息超构材料表面61与底板64之间形成多次反射的谐振腔，由于信息超构材料表面61的下表面641为部分反射表面，则有部分能量透射、与信息超构材料表面61上的单元62形成激励，作为漏波的方式透射形成辐射波束。在此基础上，如上述线馈式辐散一体化表面51的调控机理类似，通过改变单元62上变容二极管621上的偏置电压值，对信息超构材料表面61的相位进行分布，以形成对波束的调控。
进一步，对PIN二极管622的通断组合来进行极化控制的调节，如图6e所示，改变信息超构材料表面61的相位分布编码，不仅可以使辐射波束指向不同的方向、还可以实现不同的极化方式，比如辐射波束651的极化方向E1平行于YOZ平面，而辐射波束652的极化方向E2垂直于YOZ平面，且两者的波束指向相反。
需要说明的是，对于辐射和散射一体化的复合空馈式的应用形态，初级馈源65的形式不仅限于上述实施例中的微带天线的形式，还可以为平面偶极子及其衍生的形式、波导开口、喇叭天线等低增益天线，甚至为有限单元数的、由上述低增益天线构成的天线阵列。
该辐射和散射一体化的信息超构材料表面，除上述空域、极化等维度进行调节外，还可以通过改变或者调整编码序列，在时/频域的物理维度进行调节。
对于散射特性的时/频域调节，采用控制器件(如FPGA、DSP或者单片机等)产生时变信号，实现时变反射系数Γ(t)。当入射波Ei(t)入射到该表面时，反射波可表示为Er(t)＝Ei(t)·Γ(t),通过选取合适的时域编码序列，可实现对频谱的调控。时域反射波的频谱可采用卷积的方式表示为：
其中，a0为第0阶傅里叶级数项，ak为第k阶傅里叶级数项，f0为时域调制频率、即时域编码序列的重复频率。因此，可通过时变的反射系数，控制反射波时域特性。对于传统器件或者表面，因为反射系数是时不变的，故只存在a0项，不会出现后面的谐波项。而对于时/频域调节的超构材料表面，进行时间-空间编码，比如，排列编码t0时刻为1单元码元、t1时刻为0单元码元、t2时刻为1单元码元、t3时刻为0单元码元……依此类推，时间间隔为0.1ms，由于反射系数是时变的，所以存在高阶傅里叶级数项，因而可产生非线性特性、以调节频谱。由于时/频域调节的信息超构材料表面在不需要使用非线性材料的前提下成为了一个非线性器件，进而可以对各阶谐波的幅度和相位进行独立调控，即利用控制电压组合来调节反射波各阶谐波幅度、利用控制信号时延来调节反射波各阶谐波相位，既可以实现了反射波各阶谐波幅相的独立调控，还可以实现多阶谐波的同时调控，其在通信、隐身和成像领域具有十分巨大的应用价值。
需要说明的是，上述实施例仅仅作为举例说明，电磁结构单元的结构有多种变形，只要能实现上述功能的单元结构皆可。
不失一般性地，上述辐射和散射一体化的信息超构材料表面可以由以下的应用。
由上述特征构成的辐射和散射一体化的信息超构材料表面的应用领域，可以构成具有辐射和散射一体化的信息超构材料的阵列天线。一方面，在某些频段或者某些时间作为相控阵天线，进行使用；另一方面，在某些频段或者某些时间作为散射调节表面、以降低或者增强阵列天线的RCS。
由上述特征构成的辐射和散射一体化的信息超构材料表面的应用领域，可以构成具有辐射和散射一体化的信息超构材料的天线罩、或雷达罩、或通信窗等电磁外罩。一方面，可以在某些频段或者某些时间作为类似“透镜”的方式，达到辐射增强的效果；另一方面，可以在某些频段或者某些时间作为散射调节表面、以降低或者增强被遮蔽物的RCS。
由上述特征构成的辐射和散射一体化的信息超构材料表面的应用领域，可以构成具有辐射和散射一体化的信息超构材料的智能蒙皮。一方面，可以在某些频段或者某些时间作为电磁传感器，检测、处理及传输信号；另一方面，可以在某些频段或者某些时间作为散射波束调控、或者的降低或者增强RCS的应用。
由上述特征构成的辐射和散射一体化的信息超构材料表面的应用领域，可以构成具有辐射和散射一体化的信息超构材料的电磁调控表面。一方面，可以在某些频段或者某些时间作为通信传输的中继节点，将一端通信节点的信号转发，来扩大网络传输的距离、或者进行绕障通信；另一方面，可以在某些频段或者某些时间作为散射波束调控的应用，进行对传输网络进行优化。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种辐射和散射一体化的信息超构材料表面，其特征在于，所述信息超构材料表面由周期或者非周期排布的电磁结构单元构成；
所述电磁结构单元具有N-比特的单元码元，该单元可以对电磁场/波实现稳定的相位差的2N种相位-频率响应状态，N大于等于1；
该信息超构材料表面同时具有辐射电磁场/波调控和散射电磁场/波调控的功能，而且所述信息超构材料表面至少在一个电磁物理域内可进行电磁场/波的调控。
2.根据权利要求1所述的一种辐射和散射一体化的信息超构材料表面，其特征在于，电磁结构单元可以进行相位编码、或者幅-相编码、或者时域-空域编码分布排列，实现至少在一个电磁物理域的电磁功能。
3.根据权利要求1所述的一种辐射和散射一体化的信息超构材料表面，其特征在于，电磁结构单元为有源的可重构调控单元。
4.根据权利要求1所述的一种辐射和散射一体化的信息超构材料表面，其特征在于，所述电磁结构单元可以由PIN二极管、变容二极管、FET管、MEMS器件、液晶类、石墨烯类、或者铁电类基材任一种或多种器件对辐射和/或散射的电磁场/波进行调控。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种辐射和散射一体化的信息超构材料表面，其特征在于，所述信息超构材料表面可以对辐射和散射的电磁场或电磁波进行幅度、相位、频率、极化任一种物理域调控或调制，或多种物理域同时进行综合调控或调制，实现特定的电磁功能。
6.根据权利要求2或3或4所述的一种辐射和散射一体化的信息超构材料表面，其特征在于，所述信息超构材料表面辐射的激励方式可为通过初级馈源照射的空馈方式、单次反射的空馈方式，多次反射的空馈方式、透射传输的空馈方式、馈电网络构成的线馈方式、兼有透射传输和反射的复合空馈方式、兼有空馈和线馈的复合空馈方式。
7.一种阵列天线，其特征在于，该阵列天线的阵面采用权利要求1-6任一项所述的辐射和散射一体化的信息超构材料表面。
8.一种天线罩或雷达罩或通信窗电磁外罩，其特征在于，该天线罩、或雷达罩、或通信窗电磁外罩表面采用权利要求1-6任一项所述的辐射和散射一体化的信息超构材料表面。
9.一种智能蒙皮，其特征在于，该智能蒙皮表面采用权利要求1-6任一项所述的辐射和散射一体化的信息超构材料表面。
10.一种电磁调控表面，其特征在于，该电磁调控表面采用权利要求1-6任一项所述的辐射和散射一体化的信息超构材料表面。
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