本發(fā)明涉及新型人工電磁材料，特別是涉及一種可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

1、超表面是指將亞波長(zhǎng)人工單元按照一定陣列準(zhǔn)則排布在二維表面上，形成具有特定電磁調(diào)控功能的超薄復(fù)合結(jié)構(gòu)。超表面具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為了超材料領(lǐng)域一個(gè)熱門的研究方向。通過(guò)改變物理金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需超表面是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式。此結(jié)構(gòu)一旦固定就難以改變，因此超表面的動(dòng)態(tài)可調(diào)便被引入。研究者們通過(guò)在超表面單元中加載半導(dǎo)體元件，如變?nèi)莨芎蚿in二極管，實(shí)現(xiàn)了有源可調(diào)的動(dòng)態(tài)超表面。此時(shí)的超表面還停留在模擬層面，難以實(shí)現(xiàn)一些功能較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)。2014年，崔鐵軍教授等人創(chuàng)新性地將數(shù)字編碼的概念引入到超材料設(shè)計(jì)中，提出了數(shù)字編碼超表面，建立起了模擬和數(shù)字鏈接的橋梁，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程降低了設(shè)計(jì)難度。同時(shí)通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(fpga)等具有數(shù)字控制和處理能力的器件與有源超表面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了可編程超表面。加載有源器件超表面能夠?qū)﹄姶挪ǖ南辔?、幅度、極化等多個(gè)方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，其調(diào)控能力與無(wú)源超表面相比得到巨大的提升。

2、目前大多數(shù)可編程超表面只針對(duì)單一電磁維度(如相位、幅度、極化、傳播方向等)的動(dòng)態(tài)調(diào)控進(jìn)行設(shè)計(jì)，信息容量有限，難以滿足復(fù)雜環(huán)境中的無(wú)線通信與雷達(dá)探測(cè)等實(shí)際應(yīng)用需求。為進(jìn)一步推進(jìn)可編程超表面的高信息容量與高集成度發(fā)展進(jìn)程，研究人員研發(fā)并實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波多維度物理特征的獨(dú)立、可編程控制。然而，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的雙極化可編程超表面只能進(jìn)行列控，超表面每一列單元只能共享同一偏置電壓，這大大限制了超表面的多功能應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電磁可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器。

2、本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種上述超表面的實(shí)現(xiàn)方法。

3、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器，包括可重構(gòu)超表面、超表面偏置電壓板和可編程控制電路，所述可重構(gòu)超表面由m×n個(gè)超表面單元陣列排布組成，每個(gè)超表面單元獨(dú)立控制雙極化編碼，并連接到超表面偏置電壓板；超表面偏置電壓板和可編程控制電路相連；通過(guò)改變可編程控制電路的控制信號(hào)，可編程控制電路產(chǎn)生雙極化獨(dú)立偏置電壓，并通過(guò)超表面偏置電壓板提供給各個(gè)超表面單元，通過(guò)雙極化獨(dú)立偏置電壓改變各個(gè)超表面單元在x和y方向上的雙極化響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)超表面單元正交極化上的獨(dú)立調(diào)控。

4、可選的，超表面單元在兩個(gè)極化方向上都有“00”、“01”、“10”和“11”四種狀態(tài)。

5、可選的，超表面單元由上至下依次包括金屬圖案層、介質(zhì)基板和金屬地，金屬圖案層包括中心金屬貼片和四個(gè)對(duì)稱分布的金屬貼片，其中，中心金屬貼片位于中心位置，四個(gè)對(duì)稱分布的金屬貼片環(huán)繞在中心金屬貼片四周，每個(gè)金屬貼片通過(guò)一個(gè)變?nèi)莨芘c中心金屬貼片相連。

6、可選的，超表面單元的四個(gè)金屬貼片分別通過(guò)四個(gè)第一通孔與超表面偏置電壓板相連，超表面單元上的中心金屬貼片，通過(guò)第二通孔和金屬地相連。

7、可選的，通過(guò)將雙極化獨(dú)立偏置電壓輸送給加載在中心金屬貼片與相對(duì)的兩個(gè)金屬貼片之間的兩個(gè)變?nèi)莨?，改變超表面單元在x和y方向上的雙極化響應(yīng)。

8、可選的，通過(guò)偏置電壓板上的走線，超表面單元兩個(gè)極化方向上的變?nèi)莨鼙华?dú)立連接到可編程控制電路上。

9、可選的，可編程控制電路包括微型控制單元和驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路使用模擬多路復(fù)用芯片提供偏壓，每個(gè)模擬多路復(fù)用芯片有三個(gè)邏輯輸入引腳，輸出引腳連接到超表面偏置電壓板，微型控制單元用于控制驅(qū)動(dòng)電路。

10、所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器的實(shí)現(xiàn)方法，包括：

11、可編程控制電路根據(jù)編碼圖案生成各個(gè)超表面單元的雙極化獨(dú)立偏置電壓；

12、通過(guò)雙極化獨(dú)立偏置電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控超表面單元的狀態(tài)，超表面單元在兩個(gè)極化方向上都有“00”、“01”、“10”和“11”四種狀態(tài)；

13、進(jìn)而在整個(gè)超表面上生成不同的編碼圖案，通過(guò)可編程控制電路動(dòng)態(tài)調(diào)控超表面的編碼圖案，能夠?qū)崿F(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)、電磁聚焦、雙波束分裂功能的動(dòng)態(tài)切換。

14、進(jìn)一步的，可編程控制電路的微型控制單元將編碼圖案對(duì)應(yīng)的編碼矩陣轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)矩陣傳輸給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)數(shù)據(jù)矩陣將對(duì)應(yīng)電壓傳送給超表面偏置電壓板，從而使得每一個(gè)超表面單元上兩個(gè)極化方向上的變?nèi)莨艿玫姜?dú)立的偏置電壓。

15、一種可重構(gòu)超表面，所述可重構(gòu)超表面由m×n個(gè)超表面單元陣列排布組成，超表面單元由上至下依次包括金屬圖案層、介質(zhì)基板和金屬地，金屬圖案層包括中心金屬貼片和四個(gè)對(duì)稱分布的金屬貼片，其中，中心金屬貼片位于中心位置，四個(gè)對(duì)稱分布的金屬貼片環(huán)繞在中心金屬貼片四周，每個(gè)金屬貼片通過(guò)一個(gè)變?nèi)莨芘c中心金屬貼片相連。

16、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著技術(shù)效果為：通過(guò)可編程控制電路實(shí)現(xiàn)每個(gè)超表面單元獨(dú)立可控，因而能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜功能，如波束調(diào)控、波束賦形、隱身、極化轉(zhuǎn)換等；通過(guò)在超表面單元上集成四個(gè)變?nèi)莨?，水平方向的兩個(gè)變?nèi)莨苡糜谡{(diào)控x極化波的反射相位，豎直方向的兩個(gè)變?nèi)莨苡糜谡{(diào)控y極化波的反射相位，實(shí)現(xiàn)雙極化2比特相位調(diào)控，為信息傳輸提供兩個(gè)通道，大大提升了超表面在無(wú)線通信、信息交互領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

技術(shù)特征：

1.一種可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器，其特征在于，包括可重構(gòu)超表面(1)、超表面偏置電壓板(2)和可編程控制電路(3)，所述可重構(gòu)超表面(1)由m×n個(gè)超表面單元(4)陣列排布組成，每個(gè)超表面單元(4)獨(dú)立控制雙極化編碼，并連接到超表面偏置電壓板(2)；超表面偏置電壓板(2)和可編程控制電路(3)相連；通過(guò)改變可編程控制電路(3)的控制信號(hào)，可編程控制電路(3)產(chǎn)生雙極化獨(dú)立偏置電壓，并通過(guò)超表面偏置電壓板(2)提供給各個(gè)超表面單元(4)，通過(guò)雙極化獨(dú)立偏置電壓改變各個(gè)超表面單元(4)在x和y方向上的雙極化響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)超表面單元(4)正交極化上的獨(dú)立調(diào)控。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器，其特征在于，超表面單元(4)在兩個(gè)極化方向上都有“00”、“01”、“10”和“11”四種狀態(tài)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器，其特征在于，超表面單元(4)由上至下依次包括金屬圖案層、介質(zhì)基板(44)和金屬地(45)，金屬圖案層包括中心金屬貼片(41)和四個(gè)對(duì)稱分布的金屬貼片(42)，其中，中心金屬貼片(41)位于中心位置，四個(gè)對(duì)稱分布的金屬貼片(42)環(huán)繞在中心金屬貼片(41)四周，每個(gè)金屬貼片(42)通過(guò)一個(gè)變?nèi)莨?43)與中心金屬貼片(41)相連。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器，其特征在于，超表面單元的四個(gè)金屬貼片(42)分別通過(guò)四個(gè)第一通孔(46)與超表面偏置電壓板(2)相連，超表面單元(4)上的中心金屬貼片(41)，通過(guò)第二通孔(47)和金屬地(45)相連。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器，其特征在于，通過(guò)將雙極化獨(dú)立偏置電壓輸送給加載在中心金屬貼片(41)與相對(duì)的兩個(gè)金屬貼片(42)之間的兩個(gè)變?nèi)莨?43)，改變超表面單元(4)在x和y方向上的雙極化響應(yīng)。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器，其特征在于，通過(guò)偏置電壓板(2)上的走線，超表面單元(4)兩個(gè)極化方向上的變?nèi)莨?43)被獨(dú)立連接到可編程控制電路(3)上。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器，其特征在于，可編程控制電路(3)包括微型控制單元(31)和驅(qū)動(dòng)電路(32)，驅(qū)動(dòng)電路使用模擬多路復(fù)用芯片提供偏壓，每個(gè)模擬多路復(fù)用芯片有三個(gè)邏輯輸入引腳，輸出引腳連接到超表面偏置電壓板(2)，微型控制單元(31)用于控制驅(qū)動(dòng)電路(32)。

8.一種權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，可編程控制電路(3)的微型控制單元(31)將編碼圖案對(duì)應(yīng)的編碼矩陣轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)矩陣傳輸給驅(qū)動(dòng)電路(32)，驅(qū)動(dòng)電路(32)根據(jù)數(shù)據(jù)矩陣將對(duì)應(yīng)電壓傳送給超表面偏置電壓板(2)，從而使得每一個(gè)超表面單元(4)上兩個(gè)極化方向上的變?nèi)莨?43)得到獨(dú)立的偏置電壓。

10.一種可重構(gòu)超表面，其特征在于，所述可重構(gòu)超表面由m×n個(gè)超表面單元(4)陣列排布組成，超表面單元(4)由上至下依次包括金屬圖案層、介質(zhì)基板(44)和金屬地(45)，金屬圖案層包括中心金屬貼片(41)和四個(gè)對(duì)稱分布的金屬貼片(42)，其中，中心金屬貼片(41)位于中心位置，四個(gè)對(duì)稱分布的金屬貼片(42)環(huán)繞在中心金屬貼片(41)四周，每個(gè)金屬貼片(42)通過(guò)一個(gè)變?nèi)莨?43)與中心金屬貼片(41)相連。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器及其實(shí)現(xiàn)方法，調(diào)控器包括可重構(gòu)超表面、超表面偏置電壓板和可編程控制電路，可重構(gòu)超表面由m×n個(gè)超表面單元陣列排布組成，每個(gè)超表面單元獨(dú)立控制雙極化編碼，并連接到超表面偏置電壓板；超表面偏置電壓板和可編程控制電路相連；通過(guò)改變可編程控制電路的控制信號(hào)，可編程控制電路產(chǎn)生雙極化獨(dú)立偏置電壓，并通過(guò)超表面偏置電壓板提供給各個(gè)超表面單元，通過(guò)雙極化獨(dú)立偏置電壓改變各個(gè)超表面單元在x和y方向上的雙極化響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)超表面單元正交極化上的獨(dú)立調(diào)控。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種可重構(gòu)的超表面波束調(diào)控器，有望進(jìn)一步應(yīng)用于無(wú)線通信、信息交互等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：蔣衛(wèi)祥,張信歌,胡秋岑,李奇陽(yáng),崔鐵軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30