CN104157983A - 一种一比特数字式超表面 - Google Patents

Abstract

一种一比特数字式超表面是由特殊设计的电磁超材料微粒组成。这种电磁超材料微粒在两种不同的偏置电压作用下呈现相位差接近180度的两种不同状态，两种状态可分别用于模拟数码“0”与数码“1”。通过对不同微粒加载特定的偏置电压，可使所构成的超表面具有特定的编码顺序，从而实现所需的功能。采用一比特数字式超表面，只需设计相应的编码顺序，并根据设计的编码顺序调整对应微粒的偏置电压，即可在同一块超表面上实现多种不同的功能，包括实现特定的散射波方向图、减小雷达散射截面（RCS）等。本发明具有设计过程简单，应用灵活简便，易于加工等优点。在高性能天线、减小雷达散射截面等方面都有重要的应用前景。

Description

一种一比特数字式超表面

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种基于特殊设计的电磁超材料微粒的数字式超表面。 

背景技术

新型人工电磁材料，又称电磁超材料，由于其控制电磁波传播的能力，在过去十几年中吸引了来自各界的广泛关注。现有的电磁超材料，通常是由特定几何形状的亚波长基本单元按周期或非周期结构排列组成，在分析与研究其对电磁波的调控时通常采用连续的、宏观均匀或非均匀等效媒质参数来描述。类比于模拟电路，可将其称为“模拟电磁超材料”。

与之相对应，本发明中涉及的电磁超材料可称为“数字电磁超材料”，或电磁编码超材料。已有的电磁编码超材料，通常利用几种不同的基本单元分别模拟不同的数码，比如在一比特电磁编码超材料中，选用相位差接近180度的两种基本单元（记为“0”单元和“1”单元）分别模拟数码“0”与数码“1”，由按照一定规律排列“0”和“1”单元构成的电磁超材料（或超表面），可以实现所需要的设计功能。相比于现有的电磁编码超材料，本发明涉及一种特殊设计的电磁超材料微粒，该电磁超材料微粒在不同偏置电压调控下，可分别模拟数码“0”与数码“1”。对不同的电磁超材料微粒加载特定的偏置电压，即可使得仅由这一种类型的电磁超材料微粒构成的数字式超表面具有相应的编码顺序，从而实现所需的设计功能。本发明涉及的电磁超材料微粒具有电磁编码超材料的普遍优势，既在电磁超材料（或超表面）设计过程中无需从等效媒质参数的角度出发，而只需设计相应的编码次序，就可以实现预期的各种功能。同时由于可以通过改变不同微粒所加载的偏置电压，从而改变超表面的编码顺序，由本发明所涉及的电磁超材料微粒构成的同一块超表面能够在不同偏置电压输入组合下实现不同的功能。而由现有的电磁编码超材料构成的超表面，编码顺序一经确定，其功能也被确定无法更改，因而由本发明所涉及的电磁超材料微粒构成的数字式超表面在实际应用中更为灵活，在高性能天线、减小雷达散射截面等方面具有重要应用前景。 

发明内容

本发明的目的是提供一种一比特数字式超表面。该一比特数字式超表面由特殊设计的电磁超材料微粒组成。这种电磁超材料微粒在两种不同的偏置电压作用下所呈现的相位差接近180度，两种状态可分别用于模拟数码“0”与数码“1”。通过对不同微粒加载特定的偏置电压，可使所构成的超表面具有特定的编码顺序，从而实现所需的功能。这种一比特数字式超表面的主要特点在于只需设计相应的编码顺序，并根据设计的编码顺序调整对应微粒的偏置电压，即可在同一块超表面上实现多种不同的功能，设计过程简单，应用灵活简便。

本发明的一比特数字式超表面，由在两种不同的偏置电压作用下分别呈现相位差接近180度的两种不同状态的电磁超材料微粒组成，电磁超材料微粒的两种状态分别模拟数码“0”与数码“1”，通过设计相应的编码顺序，并根据设计的编码顺序调整对应微粒的偏置电压，即可构成具有特定功能的数字式超表面。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.      本发明从编码设计的角度分析与研究电磁超材料及超表面对电磁波的调控作用，避开了等效媒质参数的考量，更加直观、简便，易于设计，更加实用。

2.      本发明可以在同一块超表面上实现通过不同的编码组合，从而利用同一块超表面实现对电磁波的多种调控功能，包括实现特定的散射方向图、减小雷达散射截面（RCS），以实现隐身功能。

3.      本发明加工方便，易于实现。在本发明中采用的电磁超材料单元有成熟的低成本加工技术。 

附图说明

图1是一比特数字式超表面的理论模型示意图。每一个栅格由特殊设计的电磁超材料微粒构成，该微粒在不同偏置电压下可分别模拟数码“0”或“1”。

图2是一比特数字式超表面中用于模拟数码“0”与“1”的电磁超材料微粒的结构示意图以及对应的相频曲线。其中：

(a) 是电磁超材料微粒的结构示意图，当二极管呈现关断状态时，该微粒模拟数码“0”，当二极管呈现导通状态时，该微粒模拟数码“1”；

(b) 是7-10GHz下，二极管呈现关断与导通两种状态下，该电磁超材料微粒对应的相频曲线。

图3是电磁超材料微粒俯视图，其中标注出了各部分的几何参数。

图4是二极管不同偏置下的等效电路模型，其中：

(a) 是二极管呈现导通状态时的等效电路模型； 

(b) 是二极管呈现关断状态时的等效电路模型。

图5是8.6GHz时，不同编码组合下，一维数字式超表面散射图样仿真结果示意图，其中：

(a)    对应于编码组合000000；

(b)   对应于编码组合111111；

(c)    对应于编码组合010101；

(d)   对应于编码组合001011。

图6是不同频率下，对应于010101编码的一维数字式超表面的散射图样仿真结果示意图，其中：

(a)    为8.5GHz下的仿真结果；

(b)   为8.6GHz下的仿真结果；

(c)    为8.7GHz下的仿真结果；

(d)   为8.8GHz下的仿真结果。 

具体实施方式

本发明中，选用在两种不同偏置电压下呈现相差接近180度的两种不同状态的电磁超材料微粒构成电磁超表面。电磁超材料微粒的两种不同状态分别模拟数码“0”与数码“1”，通过给不同的电磁超材料微粒加载特定的偏置电压，可以使得所构成的电磁超表面具有特定的编码顺序，从而实现所设计的功能。下面结合附图对本发明作更进一步说明。

图1一比特数字式超表面的理论模型示意图。每一个栅格由特殊设计的电磁超材料微粒构成，该微粒在不同偏置电压下可分别模拟数码“0”或“1”。 本发明的一个实例中，选用个电磁超材料微粒构成电磁超表面。每相邻的5列超材料微粒共用相同的偏置电压，并由此组成一比特的控制码，因而整个实例构成具有6比特控制码的一维数字式超表面。

一比特数字式超表面中用于模拟数码“0”与“1”的电磁超材料微粒的结构以及对应的相频曲线如图2所示。图2a展示了该电磁超材料微粒的结构，两块对称的平面金属结构被印制在F4B基片上表面，其间跨接一个偏置二极管。基片背面印制两块金属，通过过孔与基片正面的金属结构相连，用于为二极管提供偏置电压。整个微粒的尺寸为 ,在中心频率处相当于。

图2b是该电磁超材料微粒的相频曲线。当偏置电压为3.3V时，二极管呈导通状态，电磁超材料微粒可以模拟数码“1”；当偏置电压为0时，二极管呈关断状态，电磁超材料微粒可以模拟数码“0”。如图2b所示，在8.3GHz到8.9GHz频段内，两种状态下电磁超材料微粒的的相差接近180度，且在8.6GHz频点上，两种状态下电磁超材料微粒的的相差恰为180度。

图3展示了电磁超材料微粒俯视图，其中标注出了各部分的几何参数。

图4给出了二极管不同偏置下的等效电路模型。

图5给出了8.6GHz时，不同编码组合下，一维数字式超表面散射图样仿真结果示意图。对于编码组合000000与编码组合111111，入射波被直接原路反射回去。对于编码组合010101，散射波形为对称的双波束。对于编码组合001011，入射波被散射成多波束，而具有减小的RCS。仿真结果展示了同一块电磁超表面在不同编码组合下能够实现多种功能，而不同编码组合的实现是通过调整电磁超材料微粒锁所加载的偏置电压实现的。

图6提供了更多频点上，对应于010101编码的一维数字式超表面的散射图样仿真结果示意图。图示结果说明该发明具有一定的宽带特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。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 (4)

1.一种一比特数字式超表面，其特征在于所述数字式超表面（2）由在两种不同的偏置电压作用下分别呈现相位差接近180度的两种不同状态的电磁超材料微粒（1）组成。

2.根据权利要求1所述的一比特数字式超表面，其特征在于所述电磁超材料微粒（1）的两种状态可用数字“0”和“1”来表征。

3.根据权利要求1或2所述的一比特数字式超表面，其特征在于可通过对不同的电磁超材料微粒（1）加载特定的偏置电压，使得数字式超表面具有特定的编码顺序，来设计和控制数字式超表面所要实现的功能。

4.根据权利要求1或2所述的一比特数字式超表面，其特征在于对于同一块超表面，在不同偏置电压输入组合下，可实现不同的功能。