一種數(shù)字式可編程超表面的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種數(shù)字式可編程超表面，由數(shù)字控制單元和受控的人工電磁表面兩部分所組成。其中，人工電磁表面是由周期排布的人工單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每個(gè)人工單元結(jié)構(gòu)集成了一個(gè)開關(guān)二極管，在兩種不同的偏置電壓下，人工單元結(jié)構(gòu)可以呈現(xiàn)兩種不同的電磁特性，即每個(gè)單元結(jié)構(gòu)可以在兩種電磁狀態(tài)間實(shí)時(shí)切換。而這種切換由數(shù)字控制部分提供的偏置電壓來實(shí)現(xiàn)，通過對不同單元結(jié)構(gòu)提供不同的偏置電壓，人工表面可以實(shí)現(xiàn)不同的電磁功能，每種功能對應(yīng)數(shù)字控制單元的一組控制編碼。本發(fā)明具有設(shè)計(jì)過程簡單，應(yīng)用靈活簡便，易于加工等優(yōu)點(diǎn)。在高性能天線、減小雷達(dá)散射截面等方面都有重要的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種數(shù)字式可編程超表面

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型人工電磁媒質(zhì)領(lǐng)域，具體涉及一種基于可編程人工表面的數(shù)字式超表面。

【背景技術(shù)】
[0002]新型人工電磁媒質(zhì)通常由周期或準(zhǔn)周期排布的亞波長人工單元結(jié)構(gòu)所組成，利用這種人工媒質(zhì)，人們可以控制甚至設(shè)計(jì)電磁波的行為，這種能力使得新型人工電磁媒質(zhì)在過去的十幾年中吸引了來自各界的廣泛關(guān)注。在人們應(yīng)用新型人工電磁媒質(zhì)的過程中，通常人工單元結(jié)構(gòu)是均勻分布或者梯度變化的，即新型人工電磁媒質(zhì)的媒質(zhì)參數(shù)是常數(shù)或者在空間中緩慢的梯度變化，這意味新型人工電磁媒質(zhì)服從連續(xù)的媒質(zhì)參數(shù)分布，并且這種媒質(zhì)參數(shù)分布一經(jīng)實(shí)現(xiàn)，便不能再做變化。這種應(yīng)用新型人工電磁媒質(zhì)的方式存在以下不足:1.媒質(zhì)參數(shù)的變化范圍是未知的，有時(shí)人工單元結(jié)構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)的媒質(zhì)參數(shù)不一定能滿足理論設(shè)計(jì)的媒質(zhì)參數(shù)要求；2.媒質(zhì)參數(shù)分布一經(jīng)實(shí)現(xiàn)便不能再做變化，只能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的固定的功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)字式可編程超表面，解決現(xiàn)有人工電磁煤質(zhì)參數(shù)未知且只能實(shí)現(xiàn)固定功能的問題。
[0004]本發(fā)明的數(shù)字式可編程超表面由數(shù)字控制單元和人工電磁表面兩部分構(gòu)成，所述人工電磁表面由周期排布的人工單元結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)人工單元結(jié)構(gòu)集成了一個(gè)開關(guān)二極管，數(shù)字控制單元為開關(guān)二極管提供兩種不同偏置電壓使其導(dǎo)通或關(guān)斷，使人工單元結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)對電磁波的反射相位相差180度的兩種不同的電磁穩(wěn)態(tài)。
[0005]本發(fā)明的人工電磁表面由一種特殊設(shè)計(jì)的人工單元結(jié)構(gòu)組成,這種人工單元結(jié)構(gòu)集成了一個(gè)開關(guān)二極管，在兩種不同的偏置電壓下，呈現(xiàn)兩種不同的電磁穩(wěn)態(tài)，這兩種穩(wěn)態(tài)對電磁波的反射相位相差180度，標(biāo)記這種兩種電磁穩(wěn)態(tài)為“I”和“O”。數(shù)字控制部分提供每個(gè)人工單元結(jié)構(gòu)的偏置電壓，通過寫入不同的控制字，可以對人工單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的編碼，進(jìn)而可以利用這種數(shù)字人工表面實(shí)現(xiàn)不同的電磁功能。這種數(shù)字式人工電磁表面極為顯著地降低了對單元結(jié)構(gòu)的參數(shù)要求，它只需要兩種反射相位相差180度的電磁穩(wěn)態(tài)。這避免了傳統(tǒng)人工媒質(zhì)的設(shè)計(jì)中，媒質(zhì)參數(shù)未知且可能無法實(shí)現(xiàn)的問題。另外，這種數(shù)字式人工電磁表面上單元結(jié)構(gòu)的編碼分布是實(shí)時(shí)可控的，不同的電磁功能可以通過數(shù)字控制單元寫入不同的控制字而立即實(shí)現(xiàn)，這在傳統(tǒng)人工媒質(zhì)的設(shè)計(jì)中無法做到的。
[0006]本發(fā)明的數(shù)字式可編程超表面在實(shí)際應(yīng)用中非常靈活，在高性能天線、減小雷達(dá)散射截面等方面具有重要應(yīng)用前景。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
[0008]1.本發(fā)明中人工電磁表面的設(shè)計(jì)參數(shù)不再是連續(xù)的媒質(zhì)參數(shù)，而是“O”和“I”的不同編碼，通過不同的編碼來控制電磁波實(shí)現(xiàn)不同的功能，這種設(shè)計(jì)方式更加靈活，并且避免了可能無法實(shí)現(xiàn)的媒質(zhì)參數(shù)。
[0009]2.本發(fā)明中人工電磁表面的單元結(jié)構(gòu)的編碼是實(shí)時(shí)可控的，通過數(shù)字控制部分寫入不同的控制字，可以實(shí)現(xiàn)不同的電磁功能，在實(shí)用中將更加方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是一比特?cái)?shù)字式超表面的理論模型示意圖。
[0011]圖2是人工單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖以及其對應(yīng)的相頻曲線。
[0012]圖3是數(shù)字式可編程超表面實(shí)物圖。
[0013]圖4是數(shù)字控制部分是人工表面的連接示意圖。
[0014]圖5是8.6GHz時(shí)，不同編碼組合下一維數(shù)字式超表面散射圖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明中，數(shù)字式可編程超表面由數(shù)字控制單元和人工電磁表面構(gòu)成。其中，人工電磁表面由一種特殊設(shè)計(jì)的人工單元結(jié)構(gòu)組成，這種人工單元結(jié)構(gòu)集成了一個(gè)開關(guān)二極管，在兩種不同的偏置電壓下，呈現(xiàn)兩種不同的電磁穩(wěn)態(tài)，標(biāo)記這兩種電磁穩(wěn)態(tài)為“ I ”和“ O ”。數(shù)字控制單元提供每個(gè)人工單元結(jié)構(gòu)的偏置電壓，不同的偏置電壓使相應(yīng)單元結(jié)構(gòu)可以在兩種電磁穩(wěn)態(tài)間實(shí)時(shí)切換。通過數(shù)字控制單元寫入不同的控制字，可以對人工單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的編碼，在不同的編碼下，單元結(jié)構(gòu)的反射相位隨之不同，這種不同的反射相位相互干涉可以形成不同的反射波，我們可以通過調(diào)制數(shù)字式人工電磁表面的編碼實(shí)現(xiàn)不同的電磁功能，比如RCS縮減，定向輻射電磁波等等。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0016]圖1是數(shù)字式可編程超表面的理論模型示意圖。
[0017]每個(gè)網(wǎng)格中的碼字相同，每個(gè)網(wǎng)格可以由一個(gè)或者多個(gè)人工單元結(jié)構(gòu)組成，網(wǎng)格的長度為D，D的電長度通過仿真優(yōu)化獲得。網(wǎng)格的反射相位由爐Um?)表示，在不同偏置電壓下可呈現(xiàn)兩種反射相位相差180度的電磁穩(wěn)態(tài)，分別模擬如⑴所示的數(shù)碼“O”或“1”，多個(gè)網(wǎng)格可以構(gòu)成整個(gè)數(shù)字式表面，如(2)所示。
[0018]人工單元的結(jié)構(gòu)示意圖以及對應(yīng)的相頻曲線如圖2所示。
[0019]圖2中(a)展示了本發(fā)明一實(shí)施例的人工單元的具體結(jié)構(gòu)，兩塊對稱的平面金屬結(jié)構(gòu)(Metamaterial Structure)被印制在F4B基片(Substrate)正面，其間跨接一個(gè)開關(guān)二極管(偏壓二極管Biased D1de)。對應(yīng)于二極管的開和關(guān)兩種狀態(tài)，這種特殊設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)可以保證在設(shè)計(jì)的頻點(diǎn)(本實(shí)施例為8.6GHz)獲得相差180度的反射相位?；趁娴慕饘俦嘲?Ground)被一條窄縫分成兩個(gè)部分，兩個(gè)部分通過過孔(Via Hole)分別與基片正面的兩塊金屬結(jié)構(gòu)相連。直流電源兩極分別與兩個(gè)部分相連為二極管提供偏置電壓。整個(gè)微粒的尺寸為，在中心頻率處相當(dāng)于0.172 λ X0.172 λ Χ0.057 λ。在人工單元的設(shè)計(jì)中，需要保證單元結(jié)構(gòu)在加載二極管后可以在設(shè)計(jì)的頻點(diǎn)獲得相差180度的反射相位，具體結(jié)構(gòu)的形式(比如平面金屬的具體結(jié)構(gòu))可以根據(jù)軟件仿真獲得，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)此原則設(shè)計(jì)滿足具體需求的單元結(jié)構(gòu)形式。
[0020]圖2中(b)是該人工單元結(jié)構(gòu)的相頻曲線。當(dāng)偏置電壓為3.3V(對應(yīng)數(shù)字控制單元的控制碼“ I”)時(shí)，二極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，人工單元結(jié)構(gòu)可以模擬數(shù)碼“ I” ；當(dāng)偏置電壓為O時(shí)(對應(yīng)數(shù)字控制單元的控制碼“0”)，二極管呈關(guān)斷狀態(tài)，人工單元結(jié)構(gòu)可以模擬數(shù)碼“O”。如圖所示，在8.3GHz到8.9GHz頻段內(nèi)，兩種狀態(tài)下電磁超材料人工單元結(jié)構(gòu)的相差接近180度，且在8.6GHz頻點(diǎn)上，兩種狀態(tài)下電磁超材料人工單元結(jié)構(gòu)的相差恰為180度。
[0021]在不同的編碼下，單元結(jié)構(gòu)的反射相位隨之不同，這種不同的反射相位相互干涉可以形成不同的反射波，我們可以通過調(diào)制數(shù)字式人工電磁表面的編碼實(shí)現(xiàn)不同的功能，比如RCS縮減，定向輻射電磁波等等。
[0022]圖3展示了數(shù)字式可編程超表面的實(shí)物模型。其中:
[0023](a)是數(shù)字式可編程超表面實(shí)物正面示意圖；
[0024](b)是FPGA數(shù)字控制單元，用于對數(shù)字式可編程超表面寫入不同的編碼；
[0025](C)是數(shù)字式可編程超表面實(shí)物背面示意圖；
[0026](d)是數(shù)字式可編程超表面實(shí)物局部放大示意圖。
[0027]在本實(shí)施例中，數(shù)字式可編程超表面由30X30個(gè)人工單元結(jié)構(gòu)組成。在我們的設(shè)計(jì)中，D的長度為0.86 λ，即5個(gè)人工單元結(jié)構(gòu)的長度。因此每相鄰的5列單元結(jié)構(gòu)可共用相同的偏置電壓，整個(gè)實(shí)物模型由一個(gè)6位的控制字(一個(gè)控制碼控制5列單元結(jié)構(gòu))來實(shí)現(xiàn)編碼輸入，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)一維數(shù)字式超表面進(jìn)行控制。數(shù)字控制部分可根據(jù)實(shí)際需要采用不同的數(shù)字控制電路，比如單片機(jī)、CPLD, FPGA等等。本實(shí)施例數(shù)字控制單元用FPGA實(shí)現(xiàn)，用于輸出特定的控制字，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式人工表面預(yù)定功能的電磁編碼。
[0028]圖4給出了數(shù)字控制部分與人工表面的連接示意圖。其中，每個(gè)觸發(fā)開關(guān)對應(yīng)一個(gè)輸出控制碼，控制碼通過排線連接到人工表面，從而實(shí)現(xiàn)不同單元偏置電壓的編程控制。在本設(shè)計(jì)中，為了測試以及演示，只用了四個(gè)觸發(fā)裝置。在實(shí)際應(yīng)用中可以通過編程給出更多的輸出碼。
[0029]圖5給出了 8.6GHz時(shí)，不同編碼組合下，一維數(shù)字式可編程超表面實(shí)物模型散射圖樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。其中，
[0030](a)對應(yīng)于編碼組合000000 ；
[0031 ] (b)對應(yīng)于編碼組合111111;
[0032](c)對應(yīng)于編碼組合010101 ；
[0033](d)對應(yīng)于編碼組合001011。
[0034]測試結(jié)果顯示了同一塊電磁超表面在寫入不同的控制時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，這體現(xiàn)了了本發(fā)明的數(shù)字式可編程超表面在實(shí)用中的多功能性以及靈活性。
[0035]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字式可編程超表面，其特征在于由數(shù)字控制單元和人工電磁表面兩部分構(gòu)成，所述人工電磁表面由周期排布的人工單元結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)人工單元結(jié)構(gòu)集成了一個(gè)開關(guān)二極管，數(shù)字控制單元為開關(guān)二極管提供兩種不同偏置電壓使其導(dǎo)通或關(guān)斷，使人工單元結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)對電磁波的反射相位相差180度的兩種不同的電磁穩(wěn)態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述數(shù)字式可編程超表面，其特征在于所述兩種不同的電磁穩(wěn)態(tài)用碼值“O”和“I”來表示，數(shù)字控制單元輸出不同的控制字對人工單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的編碼，控制人工電磁表面呈現(xiàn)不同的編碼分布，實(shí)現(xiàn)不同的電磁功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字式可編程超表面，其特征在于相鄰的多個(gè)人工單元結(jié)構(gòu)使用相同的偏置電壓，通過數(shù)字控制單元輸出的同一個(gè)控制碼進(jìn)行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字式可編程超表面，其特征在于所述人工單元結(jié)構(gòu)包括被印制在基片正面的兩塊對稱的平面金屬結(jié)構(gòu)，兩塊對稱的平面金屬結(jié)構(gòu)間跨接一個(gè)開關(guān)二極管，基片背面印制兩塊金屬，分別通過過孔與基片正面的金屬結(jié)構(gòu)相連，兩塊金屬分別與直流電源的兩極相連為二極管提供偏置電壓。
【文檔編號】H01Q21/00GK104078771SQ201410343016
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】崔鐵軍, 萬向, 齊美清 申請人:東南大學(xué)