CN113534716B - 一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***及方法，所述机械式超表面由多个集成单元结构组成，每个所述的集成单元结构均通过齿轮模组连接有一个步进电机；所述机械调控***还包括：发射控制器、接收控制器和电源模块；所述接收控制器为多个，且与步进电机为一一对应关系；所述发射控制器与每个接收控制器无线通信连接；所述发射控制器与上位机电连接；每个所述接收控制器与对应的步进电机电连接；每个所述接收控制器均连接有一个拨码开关电路；所述电源模块为发射控制器和接收控制器提供电源供给；本发明具有连续主动调控的有益效果，适用于超表面的领域。

Description

一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***及方法

技术领域

本发明涉及超表面的的技术领域，具体涉及一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***。

背景技术

自由调控电磁波(光)一直是人类的梦想和追求，这不仅具有重要的科学意义，而且在信息、国防、能源等领域有着广泛的应用。然而，自然材料有限的原子种类和晶格排列方式，导致电磁响应参数(如电响应参数——介电常数ε，磁响应参数——磁导率μ)取值覆盖范围十分有限，这极大制约了自然材料对电磁波(光)的调控能力。

近年来,人们提出电磁超材料、超表面的电磁响应可以按照工程的需要进行设计，由此实现了自然材料所不能实现的一系列电磁波调控现象；超表面由一系列亚波长单元在二维平面上周期或非周期性排列而成，其厚度小于工作波长；通过对基本单元结构的大小、形状及排列方式进行调整，超表面能够在亚波长尺度下对电磁波振幅、相位、传播模式、极化方式等进行自由地调控。

传统的超表面受限于工作单元结构一旦制备完成，其功能就被锁定，不能灵活的调控，因此研究人员一直致力于构造功能可动态调谐的超表面。可重构/可编码超表面是将受外界因素刺激变化的可控因子嵌入到超表面的功能单元结构中，外界刺激的因素包括光泵浦，加热，磁场，偏置电压，超表面的功能会随着这些外界因素的变化而变化，但这些调控方式主要是作用于功能单元结构的谐振频率处，往往会造成振幅和相位相关联的问题，使得工作效率非常低，而且有些调控方式是作用于整个超表面，无法实现对每个功能单元的独立控制，因而可实现的功能就很有限。此外，现有主动超表面大多只能够实现2或4阶的相位调控，较大的相位突变会造成衍射损耗。

几何相位是一类与光场偏振态有关的相位，与工作单元结构的转角成2倍关系且与振幅不相关，左右旋向互为共轭关系，广泛应用于圆偏振光的超表面领域。

近年来，利用超表面实现OAM轨道角动量(Orbital Angular Momentum)涡旋电磁波的产生过程中，只实现了固定不变的OAM模态，但是实际中不论是通信还是目标探测都需灵活可变的OAM模态来实现OAM模态复用以及获得更为丰富的目标信息。超表面特有的亚波长像素分辨率的特点，使得利用超表面产生的全息成像(holographic imaging)具有分辨率高、视场角大以及不存在多级衍射级次串扰等优点，同时其具备巨大的信息承载能力与宽视场。

发明内容

针对相关技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于：提供一种连续主动的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***，所述机械式超表面由多个集成单元结构组成，每个所述的集成单元结构均通过齿轮模组连接有一个步进电机；所述机械调控***还包括：发射控制器、接收控制器和电源模块；所述接收控制器为多个，且与步进电机为一一对应关系；所述发射控制器与每个接收控制器无线通信连接；所述发射控制器与上位机电连接；每个所述接收控制器与对应的步进电机电连接；每个所述接收控制器均连接有一个拨码开关电路；所述电源模块为发射控制器和接收控制器提供电源供给。

优选地，所述每个集成单元结构均包括多个子功能单元结构，所述齿轮模组包括：主驱动单层齿轮，与主驱动单层齿轮机械传动连接的多个从动双层齿轮；每个的所述从动双层齿轮均与多个从动单层齿轮通过机械传动连接；

所述主驱动单层齿轮与步进电机连接，所述子功能单元结构与从动单层齿轮同轴粘在一起；

集成单元结构几何相位的变化与多个子功能单元结构的自转角度为一一对应关系。

优选地，所述发射控制器包括：单片机U11、无线通信芯片U12和接口电路，每个所述接收控制器均包括：单片机U21、无线通信芯片U22和电机驱动芯片U23；

所述单片机U11分别与所述无线通信芯片U12、接口电路电连接；

所述单片机U21分别与无线通信芯片U12、电机驱动芯片U23电连接，所述电机驱动芯片U23与步进步进电机电连接；

所述发射控制器与接收控制器之间通过无线通信芯片U12和无线通信芯片U22进行无线数据的传输。

优选地，所述单片机U11与无线通信芯片U12之间的电路连接结构为：

所述单片机U11的引脚P4.4、引脚P2.2、引脚P2.5、引脚P2.3、引脚P2.4、引脚P4.3分别对应的与无线通信芯片U12的引脚CE、引脚CSN、引脚SCK、引脚MOSI、引脚MISO、引脚IRQ相连，所述无线通信芯片U12的引脚GND并接电容C3的一端后接地，所述电容C3的另一端与无线通信芯片U12的引脚VCC连接后与电源模块的电源端VCC相连；

所述单片机U21与无线通信芯片U22之间的电路连接结构为：

所述单片机U21的引脚P4.4、引脚P2.2、引脚P2.5、引脚P2.3、引脚P2.4、引脚P4.3分别对应的与无线通信芯片U22的引脚CE、引脚CSN、引脚SCK、引脚MOSI、引脚MISO、引脚IRQ相连，所述无线通信芯片U22的引脚GND并接电容C3的一端后接地，所述电容C3的另一端与无线通信芯片U22的引脚VCC连接后与电源模块的电源端VCC相连。

优选地，所述单片机U21与电机驱动芯片U23之间的电路连接结构为：

所述单片机U21的引脚P2.0、引脚P2.1、引脚P2.6、引脚P2.7分别对应的与电机驱动芯片U23的引脚IN1、引脚IN2、引脚IN3、引脚IN4相连，所述电机驱动芯片U23的引脚OUT1、引脚OUT2、引脚OUT3、引脚OUT4分别与电机接口Motor1的引脚5、电机接口Motor1的引脚4、电机接口Motor1的引脚3、电机接口Motor1的引脚2，所述电机驱动芯片U23的引脚COM2并接电机接口Motor1的引脚1、电源端VCC_Motor、电源接头PWR1的引脚1，所述电源接头PWR1的引脚2并接电机驱动芯片U23的引脚COM1后接地。

优选地，所述拨码开关电路包括：开关S1、开关S2和开关S3；

所述开关S1的引脚1并接电阻R1的一端后与单片机U21的引脚P1.7相连，所述开关S1的引脚2并接电阻R2的一端后与单片机U21的引脚P1.6相连，所述开关S1的引脚3并接电阻R3的一端后与单片机U21的引脚P1.5相连，所述开关S1的引脚4并接电阻R1的一端后与单片机U21的引脚P1.4相连；

所述开关S2的引脚1并接电阻R5的一端后与单片机U21的引脚P3.5相连，所述开关S2的引脚2并接电阻R6的一端后与单片机U21的引脚P3.4相连，所述开关S2的引脚3并接电阻R7的一端后与单片机U21的引脚P3.3相连，所述开关S2的引脚4并接电阻R8的一端后与单片机U21的引脚P3.2相连；

所述开关S3的引脚1并接电阻R9的一端后与单片机U21的引脚P0.7相连，所述开关S3的引脚2并接电阻R10的一端后与单片机U21的引脚P0.6相连，所述开关S3的引脚3并接电阻R11的一端后与单片机U21的引脚P0.5相连，所述开关S3的引脚4并接电阻R12的一端后与单片机U21的引脚P0.4相连；

所述电阻R1的另一端并接电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的另一端、电阻R9的另一端、电阻R10的另一端、电阻R11的另一端、电阻R12的另一端后与电源模块的电源端VCC相连；

所述开关S1的引脚8并接开关S1的引脚7、开关S1的引脚6、开关S1的引脚5、开关S2的引脚8、开关S2的引脚7、开关S2的引脚6、开关S2的引脚5、开关S3的引脚8、开关S3的引脚7、开关S3的引脚6、开关S3的引脚5后接地。

相应地，一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法，所述机械式超表面由多个集成单元结构组成，其特征在于：包括以下步骤：

S10，使每个所述的集成单元结构均对应的通过齿轮模组与步进电机连接；每个步进电机均对应的连接有一个接收控制器；通过拨码开关电路对控制电机的接收控制器进行编码，以使接收控制器的编号与集成单元结构的编号形成一一对应关系；

S20，上位机确定集成单元结构的几何相位与对应的步进电机旋转角度之间的关系；

S30，建立发射控制器、上位机和多个接收控制器之间的电路连接；

S40，上位机发送控制指令至发射控制器，所述的控制指令包括：集成单元结构对应接收控制器的编号、步进电机转动角度；

S50，发射控制器将控制指令进行广播，多个接收控制器接收到控制指令后，判断自身编号与控制指令中的编号是否相对应，若不对应，则不响应，若对应，则执行步骤S60；

S60，根据控制指令中的步进电机转动的角度驱动步进电机运行，使步进电机带动集成单元结构转动。

优选地，所述步骤S10中，所述每个集成单元结构均包括多个子功能单元结构，所述齿轮模组包括：主驱动单层齿轮，与主驱动单层齿轮机械传动连接的多个从动双层齿轮；每个的所述从动双层齿轮均与多个从动单层齿轮通过机械传动连接；所述主驱动单层齿轮与步进电机连接，所述子功能单元结构与从动单层齿轮同轴粘在一起；

集成单元结构几何相位的变化与多个子功能单元结构的自转角度为一一对应关系；

所述S60具体包括，根据控制指令中的步进电机转动的角度驱动步进电机运行，使步进电机带动集成单元结构中子功能单元结构的同步转动。

优选地，所述步骤S20，上位机确定集成单元结构的几何相位与对应的步进电机旋转角度之间的关系；具体包括：

S201，根据夫琅禾费衍射公式，建立目标功能所需要的各个集成单元结构的相位值Phi；

S202，根据目标工作偏振，得到各个集成单元结构的相位值所对应的电机旋转角度；

S203，将目标功能所需要的集成单元结构的编号及步进电机旋转角度写入控制指令；

其中，偏振包括：左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，电机旋转角度包括：Phi/2或-Phi/2。

优选地，所述步骤S201中，所述目标功能包括：光束异常折/反射、光束聚焦、全息成像、产生特种光束。

本发明的有益技术效果在于：

1、本发明提供的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***及方法，能够根据上位机的不同指令，通过发射控制器和多个接收控制器之间的数据通信，达到发射控制器控制步进电机，以使步进电机带动集成单元结构转动的目的，通过机械调控的方式使得集成单元结构以任意度数进行顺时针或逆时针的旋转，并可以在完成一次调控后，通过指令，使得集成单元结构可以从任意位置回到初始位置，进而进行下一次调控，达到连续调控的目的；与目前存在的几何相位超表面一旦制备完成，其效果被锁定相比，极大的提高了应用价值，实用性极强。

2、本发明中，通过拨码开关电路对接收控制器进行编号，使得接收控制器均对应有一个唯一的编号，使用时，发射控制器接收上位机发来的控制信号，控制信号中包含：接收控制器的编号和需要转动的角度；发射控制器将该控制信号进行广播，使得多个接收控制器均能够接收到该信号，对应编号的接收控制器根据需要转动的角度驱动步进电机转动，从而带动集成单元结构转动，以实现对集成单元结构的调节，本发明中，通过发射控制器与多个接收控制器的连接方式，实现了对多个集成单元结构的连续、快速的主动调控，操作便捷，实用性极强。

3、本发明中，所述发射控制器与接收控制器之间通过无线通信芯片U12和无线通信芯片U22进行无线数据的传输，上述采用无线传输的方式，减少了整个***的布线，具有布线方便、功耗低、传输速率高、通信稳定的优点。

附图说明

图1是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***的电路结构示意图；

图2是本发明中齿轮模组的结构示意图；

图3是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中集成单元结构的工作示意图；

图4是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中单片机U11与无线通信芯片U12之间的电路原理图；

图5是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中单片机U21与无线通信芯片U22之间的电路原理图；

图6是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中电机驱动芯片U23的电路原理图；

图7是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中接口电路的电路原理图；

图8是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中拨码开关电路的电路原理图；

图9是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中单片机U21的外部接口示意图；

图10是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中电源模块的电路原理图；

图11是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中开关电路的电路原理图；

图12是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法的流程示意图；

图13是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法中步骤S20的流程示意图；

图14是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法中集成单元结构与旋转角度的关系示意图；

图15是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法中控制信号的传递过程图；

图中：

1为集成单元结构，2为步进电机，3为发射控制器，4为接收控制器，5为电源模块，6为上位机，7为拨码开关电路，8为接口电路，9为开关电路；

11为子功能单元结构，21为齿轮模组；

211为主驱动单层齿轮，212为从动双层齿轮，213为从动单层齿轮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

以下结合附图详细说明所述一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***及方法的一个实施例。

实施例一

图1是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***的电路结构示意图；如图1所示，一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***，所述机械式超表面由多个集成单元结构1组成，每个所述的集成单元结构1均通过齿轮模组21连接有一个步进电机2；所述机械调控***还包括：发射控制器3、接收控制器4和电源模块5；所述接收控制器4为多个，且与步进电机2为一一对应关系；所述发射控制器3与每个接收控制器4无线通信连接；所述发射控制器3与上位机6电连接；每个所述接收控制器4与对应的步进电机2电连接；每个所述接收控制器4均连接有一个拨码开关电路7；所述电源模块5为发射控制器3和接收控制器4提供电源供给。

图2是本发明中齿轮模组的结构示意图；图3是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中集成单元结构的工作示意图；如图2、图3所示，所述每个集成单元结构1均包括多个子功能单元结构11，所述齿轮模组21包括：主驱动单层齿轮211，与主驱动单层齿轮211机械传动连接的多个从动双层齿轮212；每个的所述从动双层齿轮212均与多个从动单层齿轮213通过机械传动连接；所述主驱动单层齿轮211与步进电机2连接，所述子功能单元结构与从动单层齿轮213同轴粘在一起；集成单元结构1几何相位的变化与多个子功能单元结构11的自转角度为一一对应关系。

如图2所示，所述从动双层齿轮212为双层齿轮，其中图2中的(a)图为：从动双层齿轮与主驱动单层齿轮连接方向的示意图，图2中的(b)图为：从动双层齿轮与从动单层齿轮连接方向的示意图，在本实施例中，所述超级功能单元结构可由16个子功能单元结构11组成；所述齿轮模组由1个主驱动单层齿轮，4个从动双层齿轮，和16个从动单层齿轮组成。

本实施例中，通过拨码开关电路7对接收控制器4进行编号，使得接收控制器4均对应有一个唯一的编号，使用时，发射控制器3接收上位机6发来的控制信号，控制信号中包含：接收控制器的编号和需要转动的角度；发射控制器3将该控制信号进行广播，使得多个接收控制器4均能够接收到该信号，对应编号的接收控制器4根据需要转动的角度驱动步进电机转动，从而带动集成单元结构转动，以实现对集成单元结构的调节，本发明中，通过发射控制器3与多个接收控制器4的连接方式，实现了对多个集成单元结构的连续、快速的主动调控，操作便捷，实用性极强。

实施例二

一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***，在实施例一的基础上，所述发射控制器3包括：单片机U11、无线通信芯片U12和接口电路8，每个所述接收控制器4均包括：单片机U21、无线通信芯片U22和电机驱动芯片U23；所述单片机U11分别与所述无线通信芯片U12、接口电路8电连接；所述单片机U21分别与无线通信芯片U12、电机驱动芯片U23电连接，所述电机驱动芯片U23与步进电机2电连接；所述发射控制器3与接收控制器4之间通过无线通信芯片U12和无线通信芯片U22进行无线数据的传输。

具体地，所述的单片机U11、单片机U21的型号均可为STC8A8K64S4A12；所述的STC8A8K64S4A12是STC8F8K系列的单片机，是单时钟/机器周期(1T)单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用第九代加密技术，无法解密，指令代码完全兼容传统8051，但速度快11.2-13.2倍。

进一步地，所述无线通信芯片U12和无线通信芯片U22均可选用型号为NRF24L01的芯片；NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段；内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置；NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式，工作在100mw时电流为160mA，在数据传输方面实现相对WiFi距离更远；并可通过配置寄存器将NRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式；本实施例中，将无线通信芯片U12配置为发送模式，将无线通信芯片U22配置为接收模式。

本实施例中，所述发射控制器3与接收控制器4之间通过无线通信芯片U12和无线通信芯片U22进行无线数据的传输，上述采用无线传输的方式，减少了整个***的布线，具有布线方便、功耗低、传输速率高、通信稳定的优点。

步进电机2可采用24BYJ48四相五线的电机，马达端子的电压为5.0V DC，可通过发送脉冲数来控制步进电机的旋转角度。

实施例三

图4是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中步进电机带动子功能单元结构转动的结构示意图；图5是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中单片机U11与无线通信芯片U12之间的电路原理图；如图4、图5所示：

所述单片机U11与无线通信芯片U12之间的电路连接结构为：所述单片机U11的引脚P4.4、引脚P2.2、引脚P2.5、引脚P2.3、引脚P2.4、引脚P4.3分别对应的与无线通信芯片U12的引脚CE、引脚CSN、引脚SCK、引脚MOSI、引脚MISO、引脚IRQ相连，所述无线通信芯片U12的引脚GND并接电容C3的一端后接地，所述电容C3的另一端与无线通信芯片U12的引脚VCC连接后与电源模块5的电源端VCC相连；

所述单片机U21与无线通信芯片U22之间的电路连接结构为：所述单片机U21的引脚P4.4、引脚P2.2、引脚P2.5、引脚P2.3、引脚P2.4、引脚P4.3分别对应的与无线通信芯片U22的引脚CE、引脚CSN、引脚SCK、引脚MOSI、引脚MISO、引脚IRQ相连，所述无线通信芯片U22的引脚GND并接电容C3的一端后接地，所述电容C3的另一端与无线通信芯片U22的引脚VCC连接后与电源模块5的电源端VCC相连。

图6是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中电机驱动芯片U23的电路原理图；如图6所示，所述单片机U21与电机驱动芯片U23之间的电路连接结构为：

所述单片机U21的引脚P2.0、引脚P2.1、引脚P2.6、引脚P2.7分别对应的与电机驱动芯片U23的引脚IN1、引脚IN2、引脚IN3、引脚IN4相连，所述电机驱动芯片U23的引脚OUT1、引脚OUT2、引脚OUT3、引脚OUT4分别与电机接口Motor1的引脚5、电机接口Motor1的引脚4、电机接口Motor1的引脚3、电机接口Motor1的引脚2相连，所述电机驱动芯片U23的引脚COM2并接电机接口Motor1的引脚1、电源端VCC_Motor、电源接头PWR1的引脚1，所述电源接头PWR1的引脚2并接电机驱动芯片U23的引脚COM1后接地。

本实施例中，还可包括电机接口Motor2，电机驱动芯片U23的输出端并接电机接口Motor1和电机接口Motor2，使得根据需要选择控制某一个电机。

图7是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中接口电路的电路原理图；如图7所示，所述接口电路8包括：RS232接口模块和RS485接口模块；

所述RS232接口模块包括：数据收发芯片U4，所述数据收发芯片U4的引脚C1+串接电容C6后与数据收发芯片U4的引脚C1-相连，所述数据收发芯片U4的引脚C2+串接电容C8后与数据收发芯片U4的引脚C2-相连，所述数据收发芯片U4的引脚VCC并接电容C5的一端、电源模块5的电源端VCC，所述电容C5的另一端接地，所述数据收发芯片U4的引脚GND并接电容C17的一端后接地，所述电容C17的另一端与所述数据收发芯片U4的引脚V-相连；所述数据收发芯片U4的引脚T1IN、引脚T2IN、引脚R1OUT、引脚R2OUT分别对应的与单片机U11的引脚P3.1、引脚P0.3、引脚P3.0、引脚P0.2相连，所述数据收发芯片U4的引脚T1OUT、引脚R1IN分别对应的与接头PCOM1的引脚1、引脚2相连，所述接头PCOM1的引脚3接地；所述数据收发芯片U4的引脚T2OUT、引脚R2IN分别对应的与接头PCOM2的引脚1、引脚2相连，所述接头PCOM2的引脚3接地；

所述RS485接口模块包括：数据收发芯片U6，所述数据收发芯片U6的引脚RO、引脚RE、引脚D1分别对应的与单片机U11的引脚P1.0、引脚P1.2、引脚P1.1相连，所述数据收发芯片U6的引脚DE与数据收发芯片U6的引脚RE相连，所述数据收发芯片U6的引脚VCC与电源端VCC相连，所述数据收发芯片U6的引脚B并接电阻R19的一端后与接头RS1的引脚1相连，所述数据收发芯片U6的引脚A并接电阻R19的另一端后与接头RS1的引脚2相连。

图8是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中拨码开关电路的电路原理图；如图8所示，所述拨码开关电路7包括：开关S1、开关S2和开关S3；

所述开关S1的引脚1并接电阻R1的一端后与单片机U21的引脚P1.7相连，所述开关S1的引脚2并接电阻R2的一端后与单片机U21的引脚P1.6相连，所述开关S1的引脚3并接电阻R3的一端后与单片机U21的引脚P1.5相连，所述开关S1的引脚4并接电阻R1的一端后与单片机U21的引脚P1.4相连；

所述开关S2的引脚1并接电阻R5的一端后与单片机U21的引脚P3.5相连，所述开关S2的引脚2并接电阻R6的一端后与单片机U21的引脚P3.4相连，所述开关S2的引脚3并接电阻R7的一端后与单片机U21的引脚P3.3相连，所述开关S2的引脚4并接电阻R8的一端后与单片机U21的引脚P3.2相连；

所述开关S3的引脚1并接电阻R9的一端后与单片机U21的引脚P0.7相连，所述开关S3的引脚2并接电阻R10的一端后与单片机U21的引脚P0.6相连，所述开关S3的引脚3并接电阻R11的一端后与单片机U21的引脚P0.5相连，所述开关S3的引脚4并接电阻R12的一端后与单片机U21的引脚P0.4相连；所述电阻R1的另一端并接电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的另一端、电阻R9的另一端、电阻R10的另一端、电阻R11的另一端、电阻R12的另一端后与电源模块5的电源端VCC相连；所述开关S1的引脚8并接开关S1的引脚7、开关S1的引脚6、开关S1的引脚5、开关S2的引脚8、开关S2的引脚7、开关S2的引脚6、开关S2的引脚5、开关S3的引脚8、开关S3的引脚7、开关S3的引脚6、开关S3的引脚5后接地。

本实施例中，通过拨码开关电路对单片机进行编号，所述拨码开关电路7包括：开关S1、开关S2和开关S3；本实施例可进行12位二进制拨码开关(ON为1，否则为0)，对应***编号十进制4095；使得一个发射控制器最多可控制4095个接收控制器。

此外，还可以通过多个发射控制器的数量达到多个集成单元结构的同时调控，即：将一个发射控制器连接的多个接收控制器分为一组，达到每组中同时控制n个单元结构的目的，将总控制时间缩短。

图9是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中单片机U21的外部接口示意图；如图9所示，本实施例中，单片机U21可通过其外部接口与相应的模块或电路连接。

图10是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中电源模块的电路原理图；如图10所示，所述电源模块5包括：电源接头PWR2和电压转换芯片U5；

所述电源接头PWR2的引脚1与开关SP1的一端相连，所述开关SP1的另一端串接电感FH1后分别与电容C15的一端、电容C16的一端、电容C9的一端、电容C12的一端、电压转换芯片U5的引脚Vin、电源模块5的电源端VCC_IN相连；电压转换芯片U5的引脚Vout分别与电容C13的一端、电容C10的一端、电感L1的一端、发光二极管LED3的一端、电源模块5的电源端VCC相连，所述电感L1的另一端分别与电容C14的一端、电容C11的一端、电源模块5的电源端AVCC相连；所述发光二极管LED3的另一端串接电阻R17后分别与电阻R18的一端、电容C13的另一端、电容C10的另一端、电压转换芯片U5的引脚GND、电容C15的另一端、电容C16的另一端、电容C9的另一端、电容C12的另一端、电源接头PWR2的引脚2相连，所述电源接头PWR2的引脚2接地；所述电阻R18的另一端并接电容C14的另一端、电容C11的另一端后接地。

图11是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***中开关电路的电路原理图，如图11所示，本实施例中所述的单片机U11、单片机U21均对应的连接有一个开关电路9，以单片机U21与开关电路的连接为例进行说明如下：

所述的开关电路9包括：复位开关RST1，所述复位开关RST1的一端分别与单片机U21的引脚P5.4、电阻R14的一端、电容C4的一端相连，所述电阻R14的另一端分别与电源模块5的电源端VCC、电阻R15的一端、电阻R16的一端、电阻R21的一端、电阻R20的一端相连，所述电阻R15的另一端分别与开关SW1的一端、单片机U21的引脚P3.6相连，所述开关SW1的另一端并接开关SW2的一端、复位开关RST1的另一端、电容C4的另一端后接地；所述开关SW2的另一端分别与电阻R16的另一端、单片机U21的引脚P3.7相连；所述电阻R21的另一端串接发光二极管LED2后与单片机U21的引脚P5.5相连，所述电阻R20的另一端串接发光二极管LED1后与单片机U21的引脚P4.0相连。

本发明还提供了一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法。

图12是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法的流程示意图；如图12所示，一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法，所述机械式超表面由多个集成单元结构组成，包括以下步骤：

S10，使每个所述的集成单元结构均对应的通过齿轮模组与步进电机连接；每个步进电机均对应的连接有一个接收控制器；通过拨码开关电路对控制步进电机的接收控制器进行编码，以使接收控制器的编号与集成单元结构的编号形成一一对应关系；

S20，上位机确定集成单元结构的几何相位与对应的步进电机旋转角度之间的关系；

S30，建立发射控制器、上位机和多个接收控制器之间的电路连接；

S40，上位机发送控制指令至发射控制器，所述的控制指令包括：集成单元结构对应接受控制器的编号、步进电机转动角度；

S50，发射控制器将控制指令进行广播，多个接收控制器接收到控制指令后，判断自身编号与控制指令中的编号是否相对应，若不对应，则不响应，若对应，则执行步骤S60；

S60，根据控制指令中的步进电机转动的角度驱动步进电机运行，使步进电机带动集成单元结构转动。

本发明提供的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法，能够根据上位机的不同指令，通过发射控制器和多个接收控制器之间的数据通信，达到发射控制器控制步进电机，以使步进电机带动集成单元结构转动的目的，通过机械调控的方式使得集成单元结构以任意度数进行顺时针或逆时针的旋转，并可以在完成一次调控后，通过指令，使得集成单元结构可以从任意位置回到初始位置，进而进行下一次调控，达到连续调控的目的；与目前存在的几何相位超表面，一旦制备完成，其效果被锁定相比，极大的提高了应用价值，实用性极强。

图13是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法中步骤S20的流程示意图；如图13所示，所述步骤S20，上位机确定集成单元结构相位与对应的步进电机旋转角度之间的关系,具体包括：

S201，根据夫琅禾费衍射公式，建立目标功能所需要的各个集成单元结构的相位值Phi；

S202，根据目标工作偏振，得到各个集成单元结构的相位值所对应的步进电机旋转角度；

S203，将目标功能所需要的集成单元结构的编号及步进电机旋转角度写入控制指令；

其中，偏振包括：左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，步进电机旋转角度包括：Phi/2或-Phi/2。

具体地，所述步骤S201中，所述目标功能包括：光束异常折/反射、光束聚焦、全息成像、产生特种光束。

图14是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法中集成单元结构与旋转角度的关系示意图；如图14所示，本发明中，可通过不同算法(可包括：夫琅禾费衍射算法)计算所需目标功能(目标图像)的相位图对应各个集成单元结构的旋转角度，并通过步进电机带动集成单元结构转动的的机械调控方式，使得相应步进电机收到指令后做出转动响应，从而由步进电机带动齿轮引起集成单元结构的角度相对于初始位置发生旋转，使超表面生成所需的相位图；实现了超表面在波长尺度内局域化地控制电磁波相位的空间分布的目的，进而实现了光束异常折/反射、光束聚焦、全息成像、产生特种光束等功能。

图15是本发明一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法中控制信号的传递过程图；如图15所示，使用时，发射控制器3的单片机U11接收上位机6发来的控制信号，控制信号中包含：接收控制器的编号和需要转动的角度；单片机U11通过无线通信芯片U12将该控制信号进行广播，使得多个接收控制器4的单片机U21均能够接收到该信号，单片机U21对接收的指令进行解析，判断是否为本机信号，如是，则根据需要转动的角度驱动与其连接的步进电机转动，从而带动相应的子单元功能集成单元结构转动。

综上，本发明提供的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***及方法，能够实现对集成单元结构的相位调控，一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***及方法，实现了使得超表面的几何相位的连续快速主动的调控，同时连续调控可实现灵活可变的OAM模态进而实现OAM模态复用，且各模态具有较高的准确度，为涡旋电磁波更好地应用于移动通信、雷达探测等无线通信***提供了有效的机理和方法。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述方法、及***中的相关特征可以相互参考。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的***和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的***实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***，所述机械式超表面由多个集成单元结构（1）组成，其特征在于：每个所述的集成单元结构（1）均通过齿轮模组（21）连接有一个步进电机（2）；

所述机械式超表面控制***还包括：发射控制器（3）、接收控制器（4）和电源模块（5）；

所述接收控制器（4）为多个，且与步进电机（2）为一一对应关系；

所述发射控制器（3）与每个接收控制器（4）无线通信连接；所述发射控制器（3）与上位机（6）电连接；每个所述接收控制器（4）与对应的步进电机（2）电连接；

每个所述接收控制器（4）均连接有一个拨码开关电路（7）；

所述电源模块（5）为发射控制器（3）和接收控制器（4）提供电源供给；

所述每个集成单元结构（1）均包括多个子功能单元结构（11），所述齿轮模组（21）包括：主驱动单层齿轮（211），与主驱动单层齿轮（211）机械传动连接的多个从动双层齿轮（212）；每个的所述从动双层齿轮（212）均与多个从动单层齿轮（213）通过机械传动连接；通过机械调控的方式使得集成单元结构（1）以任意度数进行顺时针或逆时针的旋转，在完成一次调控后，通过上位机（6）的指令，使得集成单元结构（1）从任意位置回到初始位置，进而进行下一次调控，达到连续调控的目的；

所述主驱动单层齿轮（211）与步进电机（2）连接，所述子功能单元结构与从动单层齿轮（213）同轴粘在一起；

集成单元结构（1）几何相位的变化与多个子功能单元结构（11）的自转角度为一一对应关系；通过计算所需目标图像的相位图对应各个集成单元结构（1）的旋转角度，并通过步进电机（2）带动集成单元结构（1）转动的机械调控方式，使得相应步进电机（2）收到指令后做出转动响应，从而由步进电机（2）带动齿轮引起集成单元结构（1）的角度相对于初始位置发生旋转，使超表面生成所需的相位图；

所述发射控制器（3）包括：单片机U11、无线通信芯片U12和接口电路（8），每个所述接收控制器（4）均包括：单片机U21、无线通信芯片U22和电机驱动芯片U23；

所述单片机U11分别与所述无线通信芯片U12、接口电路（8）电连接；所述单片机U21分别与无线通信芯片U12、电机驱动芯片U23电连接，所述电机驱动芯片U23与步进电机（2）电连接；所述发射控制器（3）与接收控制器（4）之间通过无线通信芯片U12和无线通信芯片U22进行无线数据的传输；

所述的单片机U11、单片机U21均对应的连接有一个开关电路（9）；所述的开关电路（9）包括：复位开关RST1，所述复位开关RST1的一端分别与单片机U21的引脚P5.4、电阻R14的一端、电容C4的一端相连，所述电阻R14的另一端分别与电源模块5的电源端VCC、电阻R15的一端、电阻R16的一端、电阻R21的一端、电阻R20的一端相连，所述电阻R15的另一端分别与开关SW1的一端、单片机U21的引脚P3.6相连，所述开关SW1的另一端并接开关SW2的一端、复位开关RST1的另一端、电容C4的另一端后接地；所述开关SW2的另一端分别与电阻R16的另一端、单片机U21的引脚P3.7相连；所述电阻R21的另一端串接发光二极管LED2后与单片机U21的引脚P5.5相连，所述电阻R20的另一端串接发光二极管LED1后与单片机U21的引脚P4.0相连。

2.根据权利要求1所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***，其特征在于：所述单片机U11与无线通信芯片U12之间的电路连接结构为：

所述单片机U11的引脚P4.4、引脚P2.2、引脚P2.5、引脚P2.3、引脚P2.4、引脚P4.3分别对应的与无线通信芯片U12的引脚CE、引脚CSN、引脚SCK、引脚MOSI、引脚MISO、引脚IRQ相连，所述无线通信芯片U12的引脚GND并接电容C3的一端后接地，所述电容C3的另一端与无线通信芯片U12的引脚VCC连接后与电源模块（5）的电源端VCC相连；

所述单片机U21与无线通信芯片U22之间的电路连接结构为：

所述单片机U21的引脚P4.4、引脚P2.2、引脚P2.5、引脚P2.3、引脚P2.4、引脚P4.3分别对应的与无线通信芯片U22的引脚CE、引脚CSN、引脚SCK、引脚MOSI、引脚MISO、引脚IRQ相连，所述无线通信芯片U22的引脚GND并接电容C3的一端后接地，所述电容C3的另一端与无线通信芯片U22的引脚VCC连接后与电源模块（5）的电源端VCC相连。

3.根据权利要求2所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***，其特征在于：所述单片机U21与电机驱动芯片U23之间的电路连接结构为：

所述单片机U21的引脚P2.0、引脚P2.1、引脚P2.6、引脚P2.7分别对应的与电机驱动芯片U23的引脚IN1、引脚IN2、引脚IN3、引脚IN4相连，所述电机驱动芯片U23的引脚OUT1、引脚OUT2、引脚OUT3、引脚OUT4分别与电机接口Motor1的引脚5、电机接口Motor1的引脚4、电机接口Motor1的引脚3、电机接口Motor1的引脚2，所述电机驱动芯片U23的引脚COM2并接电机接口Motor1的引脚1、电源端VCC_ Motor、电源接头PWR1的引脚1，所述电源接头PWR1的引脚2并接电机驱动芯片U23的引脚COM1后接地。

4.根据权利要求3所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制***，其特征在于：所述拨码开关电路（7）包括：开关S1、开关S2和开关S3；

所述开关S1的引脚1并接电阻R1的一端后与单片机U21的引脚P1.7相连，所述开关S1的引脚2并接电阻R2的一端后与单片机U21的引脚P1.6相连，所述开关S1的引脚3并接电阻R3的一端后与单片机U21的引脚P1.5相连，所述开关S1的引脚4并接电阻R1的一端后与单片机U21的引脚P1.4相连；

所述开关S2的引脚1并接电阻R5的一端后与单片机U21的引脚P3.5相连，所述开关S2的引脚2并接电阻R6的一端后与单片机U21的引脚P3.4相连，所述开关S2的引脚3并接电阻R7的一端后与单片机U21的引脚P3.3相连，所述开关S2的引脚4并接电阻R8的一端后与单片机U21的引脚P3.2相连；

所述开关S3的引脚1并接电阻R9的一端后与单片机U21的引脚P0.7相连，所述开关S3的引脚2并接电阻R10的一端后与单片机U21的引脚P0.6相连，所述开关S3的引脚3并接电阻R11的一端后与单片机U21的引脚P0.5相连，所述开关S3的引脚4并接电阻R12的一端后与单片机U21的引脚P0.4相连；

所述电阻R1的另一端并接电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的另一端、电阻R9的另一端、电阻R10的另一端、电阻R11的另一端、电阻R12的另一端后与电源模块（5）的电源端VCC相连；

所述开关S1的引脚8并接开关S1的引脚7、开关S1的引脚6、开关S1的引脚5、开关S2的引脚8、开关S2的引脚7、开关S2的引脚6、开关S2的引脚5、开关S3的引脚8、开关S3的引脚7、开关S3的引脚6、开关S3的引脚5后接地。

5.一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法，所述机械式超表面由多个集成单元结构组成，其特征在于：包括以下步骤：

S10，使每个所述的集成单元结构均对应的通过齿轮模组与步进电机连接；每个步进电机均对应的连接有一个接收控制器；通过拨码开关电路对控制电机的接收控制器进行编码，以使接收控制器的编号与集成单元结构的编号形成一一对应关系；

S20，上位机确定集成单元结构的几何相位与对应的步进电机旋转角度之间的关系；

S30，建立发射控制器、上位机和多个接收控制器之间的电路连接；

S40，上位机发送控制指令至发射控制器，所述的控制指令包括：集成单元结构对应接收控制器的编号、步进电机转动角度；

S50，发射控制器将控制指令进行广播，多个接收控制器接收到控制指令后，判断自身编号与控制指令中的编号是否相对应，若不对应，则不响应，若对应，则执行步骤S60；

S60，根据控制指令中的步进电机转动的角度驱动步进电机运行，使步进电机带动集成单元结构转动；

所述步骤S10中，所述每个集成单元结构均包括多个子功能单元结构，所述齿轮模组包括：主驱动单层齿轮，与主驱动单层齿轮机械传动连接的多个从动双层齿轮；每个的所述从动双层齿轮均与多个从动单层齿轮通过机械传动连接；通过机械调控的方式使得集成单元结构（1）以任意度数进行顺时针或逆时针的旋转，在完成一次调控后，通过上位机（6）的指令，使得集成单元结构（1）从任意位置回到初始位置，进而进行下一次调控，达到连续调控的目的；

所述主驱动单层齿轮与步进电机连接，所述子功能单元结构与从动单层齿轮同轴粘在一起；集成单元结构几何相位的变化与多个子功能单元结构的自转角度为一一对应关系；

通过计算所需目标图像的相位图对应各个集成单元结构（1）的旋转角度，并通过步进电机（2）带动集成单元结构（1）转动的机械调控方式，使得相应步进电机（2）收到指令后做出转动响应，从而由步进电机（2）带动齿轮引起集成单元结构（1）的角度相对于初始位置发生旋转，使超表面生成所需的相位图；

所述S60具体包括，根据控制指令中的步进电机转动的角度驱动步进电机运行，使步进电机带动集成单元结构中子功能单元结构的同步转动；

所述发射控制器（3）包括：单片机U11、无线通信芯片U12和接口电路（8），每个所述接收控制器（4）均包括：单片机U21、无线通信芯片U22和电机驱动芯片U23；

所述单片机U11分别与所述无线通信芯片U12、接口电路（8）电连接；所述单片机U21分别与无线通信芯片U12、电机驱动芯片U23电连接，所述电机驱动芯片U23与步进电机（2）电连接；所述发射控制器（3）与接收控制器（4）之间通过无线通信芯片U12和无线通信芯片U22进行无线数据的传输；

所述的单片机U11、单片机U21均对应的连接有一个开关电路（9）；所述的开关电路（9）包括：复位开关RST1，所述复位开关RST1的一端分别与单片机U21的引脚P5.4、电阻R14的一端、电容C4的一端相连，所述电阻R14的另一端分别与电源模块5的电源端VCC、电阻R15的一端、电阻R16的一端、电阻R21的一端、电阻R20的一端相连，所述电阻R15的另一端分别与开关SW1的一端、单片机U21的引脚P3.6相连，所述开关SW1的另一端并接开关SW2的一端、复位开关RST1的另一端、电容C4的另一端后接地；所述开关SW2的另一端分别与电阻R16的另一端、单片机U21的引脚P3.7相连；所述电阻R21的另一端串接发光二极管LED2后与单片机U21的引脚P5.5相连，所述电阻R20的另一端串接发光二极管LED1后与单片机U21的引脚P4.0相连。

6.根据权利要求5所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法，其特征在于：所述步骤S20，上位机确定集成单元结构的几何相位与对应的步进电机旋转角度之间的关系；具体包括：

S201，根据夫琅禾费衍射公式，建立目标功能所需要的各个集成单元结构的相位值Phi；

S202，根据目标工作偏振，得到各个集成单元结构的相位值所对应的电机旋转角度；

S203，将目标功能所需要的集成单元结构的编号及步进电机旋转角度写入控制指令；

其中，偏振包括：左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，步进电机旋转角度包括：Phi/2或-Phi/2。

7.根据权利要求6所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法，其特征在于：所述步骤S201中，所述目标功能包括：光束异常折/反射、光束聚焦、全息成像、产生特种光束。

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