CN114865331A - 一种极化域和空间域非互易性超表面装置和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种极化域和空间域非互易性超表面装置，包含：多个相同的超表面单元；每个超表面单元包含辐射贴片、介质基板和金属背板三层结构；超表面单元，用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过改变馈电点正交相位差值，调控超表面装置极化域的极化状态，每个所述超表面单元的馈电点正交相位差值均相同，馈电点正交相位差值是同一超表面单元的辐射贴片的正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差；在前向频率转换和后向频率转换时，通过调整不同超表面单元的第一相位值，实现波束指向的非互易性。本发明还公开一种极化域和空间域非互易性超表面控制方法，使用所述装置。本发明实现了高集成度的非互易性器件，尤其适用点对点通信。
Description
技术领域
本发明涉及超表面技术领域，尤其涉及一种极化域和空间域非互易性超表面装置和控制方法。
背景技术
超表面是一种二维平面人工超构材料，通常由亚波长尺寸的单元周期性或非周期性排布而成，能够灵活调控电磁波传播，可以形成任意形状的波阵面，具有自然界常规材料无法实现的电磁新特性。目前基于电磁超表面已经设计出了隐身斗篷、平面透镜和电磁黑洞等具有奇异电磁功能的新器件。然而，传统的静态电磁超材料和超表面都是基于连续变化的媒质参数，通过设计超表面单元结构及参数，控制电磁波的幅度、相位和极化等物理参量，一旦制备成型其功能也将固化，难以满足动态调控的应用需求。
发明内容
本发明提供一种极化域和空间域非互易性超表面装置和控制方法，解决现有技术难以动态调控极化方向和波束指向的问题。
为解决上述问题，本发明是这样实现的：
本发明实施例提供一种极化域和空间域非互易性超表面装置，包含：多个相同的超表面单元。每个所述超表面单元由辐射贴片、介质基板和金属背板三层结构组成，所述辐射贴片在所述介质基板的顶面，所述金属背板在所述介质基板的底面。所述超表面单元，用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过改变馈电点正交相位差值，调控超表面装置极化域的极化状态，每个所述超表面单元的馈电点正交相位差值均相同，所述馈电点正交相位差值是同一超表面单元的辐射贴片的正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差。在前向频率转换和后向频率转换时，通过调整不同超表面单元的第一相位值，实现波束指向的非互易性，所述第一相位值是在同一超表面单元的辐射贴片的不同馈电点间加载的时变调制信号的相位值中的共有相位值。所述前向频率转换是第一频率转换为第二频率，所述后向频率转换是第二频率转换为第一频率，所述时变调制信号为所述第一频率与所述第二频率的频差正弦信号。
优选地，多个相同的超表面单元按矩形排列方式均匀排列而成。
优选地，超表面单元中心工作频率为1～6GHz，所述时变调制信号的频率小于等于所述超表面单元中心工作频率的千分之六。
优选地，所述超表面单元的辐射贴片为正方形辐射贴片，包含4个馈电点，4个馈电点分别位于正方形的四个边的中心位置处，正方形贴片相对两条边上的馈电点的输入信号相位值相同。
优选地，在出射信号频率和出射信号波束宽度条件下，确定超表面单元的单元数，使出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件。
进一步地，对超表面单元加载的第一相位值如公式1。
进一步地，正方形辐射贴片的边长范围为：0.45λ～0.55λ，λ为超表面单元中心工作频率处的介质波长。
进一步地，4个馈电点对应4个电路结构相同的馈电电路，每个馈电电路均由电容、变容二极管和电感组成。
进一步地，所述超表面单元采用正方形铜辐射贴片和铜金属背板。
本发明实施例还提供一种极化域和空间域非互易性超表面控制方法，使用本发明任一项实施例所述装置，包含以下步骤：根据出射信号频率和出射信号波束宽度，确定超表面单元的单元数，使得出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件；根据入射信号和出射信号的极化状态，计算超表面单元的馈电点正交相位差值，每个超表面单元的所述馈电点正交相位差值均相同；通过入射信号和出射信号的波束指向，计算每个超表面单元加载的第一相位值；通过改变所述馈电点正交相位差值，实现超表面装置极化域非互易性，通过对每个超表面单元单独加载第一相位值，实现超表面装置空间域非互易性。
本发明有益效果包括：第一、本发明可独立控制超表面单元内和单元间时变调制信号的相位值，可以实现超表面极化域的极化状态和空间域波束指向动态调控。第二、极化域和空间域非互易的非互易性超表面可以用来实现同时同频全双工通信，可以成倍的提高频谱利用率。第三、极化域的非互易性可以遍历水平线极化、垂直线极化、左旋圆极化、右旋圆极化、椭圆极化等多种电磁波极化状态，前向频率转换或后向频率转换可以在它们任意两极化状态之间变换。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1(a)为本发明超表面装置实施例的超表面装置示意图；
图1(b)为本发明超表面装置实施例的超表面单元侧视示意图；
图1(c)为本发明超表面装置实施例的超表面单元顶层结构示意图；
图1(d)为本发明超表面装置实施例的超表面单元排列方式示意图；
图2为超表面单元的单元相位值与时变调制信号相位关系曲线实施例；
图3(a)为极化域非互易性实施例的庞加莱球示意法示意图；
图3(b)为极化域非互易性实施例的馈电点正交相位差值示意图；
图4(a)为空间域非互易性实施例的前向频率转换示意图；
图4(b)为空间域非互易性实施例的后向频率转换示意图；
图4(c)为空间域非互易性实施例的一种波束指向；
图4(d)为空间域非互易性实施例的又一种波束指向；
图4(e)为空间域非互易性实施例的第三种波束指向；
图4(f)为空间域非互易性实施例的第四种波束指向；
图5为本发明方法流程实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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做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。
将电磁非互易性与超表面结合设计实现非互易性超表面，可以进一步扩充传统超表面的功能，提高超表面操控电磁波的能力和维度，动态地实现多种新奇的新物理特征。时间域和空间域的联合调制不但可以同时调控电磁波的空间波束指向和频谱分布，还可以打破时间反演对称性实现电磁波的非互易性传输。
极化域与空间域非互易性可独立动态调控的非互易性超表面，在无线通信领域价值凸显。非互易性超表面可以提供完全独立的收发通道，能够实现同时同频带内全双工通信，可以成倍的提高频谱利用率，具有广阔的应用前景。
本发明的创新点在于：第一、本发明采用加载时变调制信号的技术方法，打破时间反演对称性，实现电磁波的非互易性传输；第二、本发明通过独立控制超表面单元内正交低频时变调制信号的相位差值动态调控超表面极化域的极化状态；第三、本发明通过独立控制超表面单元间低频时变调制信号的相位值可以动态调控超表面空间域的波束指向。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1(a)为本发明超表面装置实施例的超表面装置示意图，图1(b)为本发明超表面装置实施例的超表面单元侧视示意图，图1(c)为本发明超表面装置实施例的超表面单元顶层结构示意图，图1(d)为本发明超表面装置实施例的超表面单元排列方式示意图。
本发明实施例提供一种极化域和空间域非互易性超表面装置，所述超表面装置1，包含：多个相同的超表面单元2。
每个所述超表面单元包含辐射贴片3、介质基板4和金属背板5三层结构，所述辐射贴片在所述介质基板的顶面，所述金属背板在所述介质基板的底面。
所述超表面单元，用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过改变馈电点正交相位差值，调控超表面装置极化域的极化状态，每个所述超表面单元的馈电点正交相位差值均相同，所述馈电点正交相位差值是同一超表面单元的辐射贴片的正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差；还用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过调整不同超表面单元的第一相位值，实现波束指向的非互易性，所述第一相位值是在同一超表面单元不同馈电点间加载的时变调制信号的相位值中的共有相位值。
所述前向频率转换是第一频率转换为第二频率，所述后向频率转换是第二频率转换为第一频率，所述时变调制信号为正弦信号，所述时变调制信号的频率为所述第一频率与第二频率的频差。
在本发明实施例中，相同的超表面单元周期性排列构成超表面装置，例如，多个相同的超表面单元按矩形排列方式均匀排列而成构成超表面装置，特别地，多个相同的超表面单元按正方形排列方式均匀排列而成构成超表面装置，即超表面单元横向和纵向排列的单元数相同。需要说明的是，超表面单元还可按照其他排列方式周期或非周期排列，例如，按照圆形阵列排布、菱形阵列排布等，这里不做特别限定。
在本发明实施例中，超表面单元的辐射贴片的正交轴与超表面单元的排列方向之间存在夹角，例如，夹角为45°，也就是说本发明实施例将平行于超表面单元排列方向的辐射贴片沿中心旋转45°，原因是得到的超表面装置的极化域和空间域的非互易性效果更好。
需要说明的是，所述超表面单元的辐射贴片的正交轴与超表面单元排列方向之间可以平行或者存在其他夹角。
在本发明实施例中，在各超表面单元在馈入的时变调制信号，可以实现电磁波在极化域和空间域的非互易性传输。例如，如图1(a)，当左旋圆极化的第一入射信号以第一频率f0、第一入射角θ1照射到超表面装置时，对应的第一出射信号以第二频率f0+fm、第一出射角θ2、右旋圆极化传播到空间中。而当左旋圆极化的第二入射信号以第二频率f0+fm、第二入射角θ3照射到超表面装置时，对应的第二出射信号以第一频率f0、第二出射角θ4、右旋圆极化传播到空间中。由于入射信号和出射信号的极化方向改变，超表面装置实现了极化域的非互易性，当θ2＝θ3时，θ1≠θ4超表面装置实现了空间域的非互易性。
需要说明的是，在本发明实施例中，第一频率小于第二频率，也可能存在第一频率大于第二频率的情况，这里对第一频率和第二频率的大小不做特别限定。
还需说明的是，入射信号包含所述第一入射信号和第二入射信号，出射信号包含所述第一出射信号和第二出射信号。第一入射信号是前向频率转换时的入射信号，第二入射信号是后向频率转换时的入射信号；第一出射信号是前向频率转换时的出射信号，第二出射信号是后向频率转换时的出射信号。第一入射角和第二入射角是指对应的第一入射信号和第二入射信号和超表面装置法线的夹角，第一出射角和第二出射角是指对应的第一出射信号和第二出射信号和超表面装置法线的夹角。
在本发明实施例中，超表面单元由三层结构组成，即第一层、第二层和第三层，如图1(b)所示，可由传统的PCB加工工艺实现。第一层为正方形铜辐射贴片和时变调制信号馈电电路，第二层为介质基板，第三层为铜金属背板。正方形铜辐射贴片和时变调制信号馈电电路在介质基板的顶面，铜金属背板在介质基板的底面。
在本发明实施例中，所述超表面单元的辐射贴片为正方形辐射贴片，包含4个馈电点，即第一馈电点31、第二馈电点32、第三馈电点33、第四馈电点34，4个馈电点分别位于正方形的四个边的中心位置处，正方形贴片相对两条边上的馈电点的输入信号相位值相同。
4个馈电点对应4个电路结构相同的馈电电路，即第一馈电电路、第二馈电电路、第三馈电电路、第四馈电电路，每个馈电电路均由电容、变容二极管和电感组成。
进一步地，第一馈电电路，包含：第一电容35、第一电感36和第一变容二极管37；第二馈电电路，包含：第二电容38、第二电感39和第二变容二极管40；第三馈电电路，包含：第三电容41、第三电感42和第三变容二极管43；第四馈电电路，包含：第四电容44、第四电感45和第四变容二极管46。
电容起到高通滤波器的作用，电感起到低通滤波器的作用，电容和电感为了提高时变调制信号频率fm与第一频率f0、第二频率f0+fm之间的隔离度，变容二极管工作在反向偏置状态，起到可变电容器的作用。
需要说明的是，所有超表面单元的辐射贴片都在一张介质基板上，每个超表面单元可单独馈电，也可若干超表面单元集成馈电。
在本发明实施例中，正方形铜辐射贴片的边长尺寸约为超表面中心工作频率处的二分之一介质波长，例如，正方形辐射贴片的边长范围为：0.45λ～0.55λ，λ为超表面单元中心工作频率处的介质波长。
对每个超表面单元的所有馈电点均需馈入时变调制信号，对每个馈电点馈入的时变调制信号的相位值均由两部分组成：第一相位值和第二相位值。其中，第一相位值是在同一超表面单元不同馈电点间加载的时变调制信号的相位值中的共有相位值，第二相位值是在同一超表面单元不同馈电点间加载的时变调制信号的相位值中的独有相位值。
也就是说，对同一超表面单元的所有馈电点加载时变调制信号时，对于所有馈电点、第一相位值的数值相同、是每个馈电点的共同相位值；第二相位值的数值可以相同或不同、是每个馈电点单独设置的相位值。
在极化域和空间域非互易性超表面装置中，相同超表面单元不同馈电点间加载的时变调制信号的第一相位值相同，加载的第二相位值可以相同或不同，由超表面装置的极化域状态决定。不同超表面单元间加载的时变调制信号的第一相位值可以相同或不同，由超表面装置的空间域状态决定。
需要说明的是，所述馈电点正交相位差值是同一超表面单元正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差，即所述馈电点正交相位差值是所述第二相位值的差。当同一超表面单元正交轴对应的馈电点间的所述第二相位值相同时，即所述馈电点正交相位差值为0时，超表面装置在极化域是互易性的，不再具备极化状态变换的功能；当第二相位值不相同时，即所述馈电点正交相位差值不为0时，超表面在极化域是非互易性的，可以实现不同状态极化变换。
例如，在本发明实施例中，如图1(c)，馈入超表面单元的正方形辐射贴片的4个馈电点的4路时变调制信号，这4路时变调制信号的相位值分别是
和
其中，正方形辐射贴片相对两条边中心位置处的馈电点的输入信号相位值相同。
是所述第一相位值，
是一个馈电点对应的第二相位值，
是正交轴馈电点对应的第二相位值。
具体地，馈入超表面单元v轴方向上两个馈电点时变调制信号的相位为
馈入超表面单元u轴方向上两个馈电点的时变调制信号相位为
其中，
为第一相位值，
为超表面单元的u轴相位值，即馈入u轴馈电点的第二相位值，
为超表面单元的v轴相位值，即馈入v轴馈电点的第二相位值，u轴和v轴是相互正交的坐标轴，分别与正方形贴片的两个相邻边长平行。
在本发明实施例中，u轴和v轴与超表面单元的排列方向存在夹角，u轴和v轴也可与介质基板的两条边平行。
馈电点正交相位差值为
通过控制
的数值便可以动态调控超表面极化域的极化状态。本发明实施例通过改变馈电点正交相位差值的数值改变超表面装置的极化状态，
和
均为根据极化需求的设定值，二者可以设定为任意数值，二者差值决定超表面装置的入射信号和对应出射信号的极化状态。需要说明的是，所述馈电点正交相位差值的范围为[0,2π]。
需要说明的是，本发明实施例馈电点正交相位差值是v轴相位值与u轴相位值的差，还可以是u轴相位值与v轴相位值的差，这里不做特别限定。
在本发明实施例中，通过改变馈电点正交相位差值的数值可调控超表面极化域的极化状态，极化状态包含：左旋圆极化、右旋圆极化、水平极化、垂直极化、椭圆极化等。
进一步地，对每个超表面单元加载的第一相位值为：
其中，
为所述第一相位值，i、j分别为超表面单元的横向序号、纵向序号，
为横向序号为i、纵向序号为j的超表面单元加载的第一相位值，kin、kout分别为频率为入射信号频率、出射信号频率对应的波数，θin、θout分别为入射信号的入射俯仰角、对应出射信号的出射俯仰角，
分别为入射信号的入射水平角、对应出射信号的出射水平角，dx、dy分别为相邻超表面单元之间横向单元间距、纵向单元间距。
需要说明的是，公式1仅是按本发明实施例超表面单元排列方式计算的第一相位值，若超表面单元按其他方式排列，例如圆形阵列，也可通过入射信号和出射信号的波速指向确定所述第一相位值。
还需要说明的是，入射俯仰角和入射水平角是球坐标系下的两个角，入射俯仰角包含第一入射俯仰角和第二入射俯仰角，入射水平角包含第一入射水平角和第二入射水平角；出射俯仰角和出射水平角也是球坐标系下的两个角，出射俯仰角包含第一出射俯仰角和第二出射俯仰角，出射水平角包含第一出射水平角和第二出射水平角。
第一入射信号以第一入射俯仰角和第一入射水平角入射到超表面装置上，第一出射信号以第一出射俯仰角和第一出射水平角从超表面装置出射；相应地，第二入射信号以第二入射俯仰角和第二入射水平角入射到超表面装置上，第二出射信号以第二出射俯仰角和第二出射水平角从超表面装置出射。需要说明的是，通过入射俯仰角和入射水平角可以计算得到入射角，通过出射俯仰角和出射水平角可以计算得到出射角。
还需说明的是，公式1适用于通过第一入射信号和第一出射信号计算每个超表面单元加载的第一相位值，还适用于通过第二入射信号和第二出射信号计算每个超表面单元加载的第一相位值。
如图1(c)所示，超表面单元周期性沿着横向和纵向排列，横向单元数为Nx、纵向单元数为Ny，横向单元间距为dx、纵向单元间距为dy。电磁波以第一频率f0从空间中以
入射，出射信号频率为第二频率f0+fm、方向为
需要说明的是，kin、kout分别是入射信号的频率和出射信号的频率，在本发明实施例中，若入射信号的频率是第一频率，出射信号的频率是第二频率，则：
kin＝2πf0/c (2)
kout＝2π(f0+fm)/c (3)
其中，c为光速。
在本发明实施例中，对超表面单元馈入4路时变调制信号，其中正方形贴边相对两条边的时变调制信号的相位值相同。在馈电时根据入射信号和出射信号的角度，预先设计好每个超表面单元的第一相位值，根据入射信号和出射信号的极化状态，预先设计好馈电点正交相位差值。馈电时，按照设计值对每个超表面单元馈入4路信号，v轴馈电点馈入的信号的相位值为
u轴馈电点馈入的信号的相位值为
不同超表面单元的单元相位值满足公式1，可能相同或不同，不同超表面单元的u轴相位值和v轴相位值可能相同或不同，但不同超表面单元的馈电正交相位值相同。
在本发明实施例中，所述超表面单元的单元数通过出射信号频率和出射信号波束宽度计算，出射信号增益由出射信号波束宽度计算。
需要说明的是，所述超表面单元的单元数包含横向单元数和纵向单元数，出射信号波束宽度包含出射信号E面波束宽度和出射信号H面波束宽度。
超表面单元的边长尺寸约为二分之一介质波长，超表面单元间距一般为0.5至0.8倍自由空间波长。
在本发明实施例中，出射信号频率和出射信号波束宽度，确定所述超表面单元的单元数，使出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件。
具体地，可借助现有阵列天线理论，增益Gain、俩俯仰面(ZX、ZY面，参见图1(d))对应的半功率波束宽度分别为θE3dB和θH3dB，相邻超表面单元间横向单元间距和纵向单元间距分别为dx和dy，出射信号对应的自由空间波长λ0，横向单元数和纵向单元数Nx和Ny之间的关系如下：
其中，θE3dB、θH3dB分别表示出射信号的E面3dB波束宽度、H面3dB波束宽度。需要说明的是，根据使用需求，将出射信号参数代入公式5～公式6计算对应的横向单元数和纵向单元数。计算得到横向单元数和纵向单元数后，可再进一步通过天线仿真软件进行优化，使出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件。在本发明实施例中，出射信号是指第一出射信号，出射信号的频率是第二频率。
需要说明的是，使出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件是指使出射信号的波束指向满足设定的波束指向，使出射信号的极化状态满足设定的极化状态。出射信号的波束指向指的是出射信号的出射角，或出射信号的出射俯仰角和出射水平角。
本发明实施例采用加载时变调制信号的技术方法，来打破时间反演对称性，实现电磁波的非互易性传输，设计实现极化域和空间域非互易性可动态调控的非互易性超表面。所发明的非互易性超表面实现了极化域极化状态和空间域波束指向的非互易性，可以支撑B5G/6G同时同频全双工通信、点对点通信等应用。
图2为超表面单元的单元相位值与时变调制信号相位关系曲线实施例。
在图2中，横坐标表示输入的时变调制信号的相位值，单位度，纵坐标表示某一超表面单元的相位响应值，单位度；实线为前向频率转换时，输入的时变调制信号的相位值与超表面单元的单元相位值的关系，虚线为后向频率转换时，输入的时变调制信号的相位值与超表面单元的单元相位值的关系。
从图2左图中可以看出，超表面单元在低频调制信号的作用下会发生信号混频调制，由于正方形单元自身所具有的谐振特性，能量主要在第一频率f0、第二频率f0+fm之间转换。如图2右图所示，前向频率转换(f0→f0+fm)和后向频率转换(f0+fm→f0)时的相位响应曲线随着输入的时变调制信号的相位值
线性变化且完全相反(前向为正，后向为负)，即前向频率转换时的曲线斜率与后向频率转换时的曲线斜率，二者大小相等、符号相反。
需要说明的是，图2仅表示输入的时变调制信号的相位值与超表面单元相位响应值的关系，输入的时变调制信号的相位值用
表示，可以指图1实施例中的
和
从图2可以看出，通过确定超表面单元的单元相位值可以确定时变调制信号相位值，相应地，通过调整时变调制信号相位值可以改变超表面单元的单元相位值，从而改变出射信号的出射俯仰角。
在本发明实施例中，当进行前向频率转换时，由第一入射角和第一出射角可以确定时变调制信号相位值；当进行后向频率转换时，第二入射角和第一出射角相同，此时根据图2的关系曲线，第二出射角显然与第一入射角不相等，从而实现了空域波束非互易性。
需要说明的是，图2提供了某一个超表面单元的单元相位值与时变调制信号相位值的关系曲线，由所有超表面单元综合的空间波束(第一出射信号和第二出射信号)的相位值与时变调制信号相位值的关系也成线性关系。
图3(a)为极化域非互易性实施例的庞加莱球示意法示意图，图3(b)为极化域非互易性实施例的馈电点正交相位差值示意图。
在本发明实施例中，极化域的非互易性可以遍历水平线极化(H)、垂直线极化(V)、左旋圆极化(L)、右旋圆极化(R)和椭圆极化等多种电磁波极化状态。
在本发明实施例中，所设计的超表面装置的介质基板使用Rogers 5880材料，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.575毫米。超表面中心工作频率设计为2.6GHz，正方形铜辐射贴片的边长为42毫米。低频时变调制电路内变容二极管采用SkyworksSMV1231型号，电感采用22nH贴片电感、电容采用6pF贴片电容。超表面单元数为10×10，单元间距均为69毫米。试验测试中，调制电路所加载的直流偏置电压为1V，时变调制信号频率fm＝15MHz，调制系数0.1(调制信号幅度0.1V)。
需要说明的是，本发明超表面装置中心工作频率不限制于2.6GHz，2.6GHz仅是一个实施例，超表面单元中心工作频率受限于变容二极管的工作频率，一般来说，本发明超表面单元中心工作频率为1-6GHz，例如1G，2G。还需说明的是，时变调制信号频率不限于本发明实施例中的15MHz，一般地，时变调制信号的频率小于等于超表面中心工作频率的千分之六。
另外，介质基板选型不限制于本发明实施例中的Rogers 5880，还可以是罗杰斯、旺灵等其他介质基板，这里不做特别限定。
在本发明实施例中，通过控制
的数值便可以动态调控超表面极化域的极化状态。
如图3(a)所示，随着
值的增大，前向频率转换沿着庞加莱球逆时针旋转，而后向频率转换则沿着庞加莱球顺时针旋转。从图中可以看出，控制
的数值，入射信号和出射信号的极化状态可以在任意两种极化之间变换。也就是说，
的数值与超表面装置的极化状态切换存在对应关系，超表面装置的极化状态切换是指入射信号的极化状态和出射信号的极化状态切换。当为入射信号设定某一极化状态，通过控制
的数值可以调控出射信号的极化状态。
例如，在图3(b)中，出示了
等于π/2和π时的超表面装置在极化域内的不同响应状态。当
时，已知入射信号为水平极化，在前向频率转换时(2.6GHz→2.615GHz)，出射信号极化状态为左旋圆极化。相反，在后向频率转换时(2.615GHz→2.6GHz)的出射信号为右旋圆极化，实现了极化域内的非互易性，如左图所示。
类似地，当
时，入射信号为左旋(右旋)圆极化时，在前向和后向频率转换时其出射信号均为右旋(左旋)圆极化，如右图所示。
因此，控制
可以实现极化状态的动态可调控。
需要说明的是，图3(b)的实施例给出了
和
时极化域极化状态改变情况，
也可以是其他数值，这里不做特别限定。
本发明实施例说明，通过调整馈电点正交相位差值可以实现超表面装置极化域非互易性。
图4(a)为空间域非互易性实施例的前向频率转换示意图，图4(b)为空间域非互易性实施例的后向频率转换示意图，图4(c)为空间域非互易性实施例的一种波束指向，图4(d)为空间域非互易性实施例的又一种波束指向，图4(e)为空间域非互易性实施例的第三种波束指向，图4(f)为空间域非互易性实施例的第四种波束指向。
在本发明实施例中，所设计的超表面装置的介质基板使用Rogers 5880材料，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.575毫米。超表面中心工作频率设计为2.6GHz，正方形铜辐射贴片的边长为42毫米。低频时变调制电路内变容二极管采用SkyworksSMV1231型号，电感采用22nH贴片电感、电容采用6pF贴片电容。超表面单元数为10×10，单元间距为69毫米。试验测试中，调制电路所加载的直流偏置电压为1V，低频时变调制信号频率fm＝15MHz，调制系数0.1(调制信号幅度0.1V)。
需要说明的是，所述调制系数指的是时变调制信号幅度调制系数，即时变调制信号的幅度平均值与直流偏置电压之比。
图4(a)试验结果表明，在进行前向频率转换时，当电磁波以频率2.6GHz、第一入射角20°入射时，通过控制超表面单元间的第一相位值
的分布，使出射信号以频率2.615GHz、第一出射角25°出射到空间中。
图4(b)试验结果表明，在进行后向频率转换时，当电磁波以频率2.615GHz和第二入射角25°入射时，出射信号频率为2.6GHz、第一出射角确为30°，可见波束角度30°≠20°，实现了空间域波束指向的非互易性。
调控非互易性超表面装置每个超表面单元的第一相位值
的分布可以动态实现波束扫描，如图4(c)～图4(f)。仅需独立控制每个超表面单元的时变调制信号相位关系，所设计的超表面装置便可以灵活的实现波束扫描，其中图4(c)出射信号波束指向为俯仰角30度和水平角40度，图4(d)出射信号波束指向为俯仰角30度和水平角140度，图4(e)出射信号波束指向为俯仰角30度和水平角220度，图4(f)出射信号波束指向为俯仰角30度和水平角320度。可见，所设计的超表面装置实现了波束动态扫描功能。
图5为本发明方法流程实施例，可使用本发明任一实施例所述极化域和空间域非互易性超表面装置。
作为本发明方法实施例，一种极化域和空间域非互易性超表面控制方法，具体包含以下步骤101～104：
步骤101、根据出射信号频率和出射信号波束宽度，确定超表面单元的单元数，使得出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件。
在本发明实施例中，根据预先设定的第一出射信号的信号频率，即第二频率，和第一出射信号的波束宽度计算超表面单元的单元数，计算方式如公式5～公式6。
步骤102、根据入射信号和出射信号的极化状态，计算超表面单元的馈电点正交相位差值，每个超表面单元的所述馈电点正交相位差值均相同。
所述超表面单元的馈电点正交相位差值为第二相位值之差。
步骤103、通过入射信号和出射信号的波束指向计算每个超表面单元加载的第一相位值。
在步骤103中，若超表面单元采用矩形排列方式，根据计算第一频率、第二频率、入射俯仰角、出射俯仰角、入射水平角、出射水平角和相邻超表面单元之间单元间距，计算每个超表面单元加载的第一相位值，计算对每个超表面单元加载的第一相位值如公式1所示。
步骤104、通过改变所述馈电点正交相位差值，实现超表面装置极化域非互易性，通过对每个超表面单元单独加载第一相位值，实现超表面装置空间域非互易性。
在步骤104中，对每个超表面单元的所有馈电点单独加载时变调制信号，单独加载的每路时变调制信号的相位值均为所述第一相位值与第二相位值之和。
需要说明的是，步骤101～104已在图1～图4的实施例中详细论述，这里不赘述。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，包含：多个相同的超表面单元；
每个所述超表面单元包含辐射贴片、介质基板和金属背板三层结构，所述辐射贴片在所述介质基板的顶面，所述金属背板在所述介质基板的底面；
所述超表面单元，用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过改变馈电点正交相位差值，调控超表面装置极化域的极化状态，每个所述超表面单元的馈电点正交相位差值均相同，所述馈电点正交相位差值是同一超表面单元的辐射贴片的正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差；
在前向频率转换和后向频率转换时，通过调整不同超表面单元的第一相位值，实现波束指向的非互易性，所述第一相位值是在同一超表面单元的辐射贴片的不同馈电点间加载的时变调制信号的相位值中的共有相位值；
所述前向频率转换是第一频率转换为第二频率，所述后向频率转换是第二频率转换为第一频率，所述时变调制信号为所述第一频率与所述第二频率的频差正弦信号。
2.如权利要求1所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，多个相同的超表面单元按矩形排列方式均匀排列而成。
3.如权利要求1所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，超表面单元中心工作频率为1～6GHz，所述时变调制信号的频率小于等于所述超表面单元中心工作频率的千分之六。
4.如权利要求1或2任一项所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，所述超表面单元的辐射贴片为正方形辐射贴片，包含4个馈电点，4个馈电点分别位于正方形的四个边的中心位置处，正方形贴片相对两条边上的馈电点的输入信号相位值相同。
5.如权利要求2所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于出射信号频率和出射信号波束宽度，确定所述超表面单元的单元数，使出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件。
6.如权利要求2所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，对超表面单元加载的所述第一相位值为：
其中，
为所述第一相位值，i、j分别为超表面单元的横向序号、纵向序号，kin、kout分别为入射信号频率、出射信号频率对应的波数，θin、θout分别为入射信号的入射俯仰角、对应出射信号的出射俯仰角，
分别为入射信号的入射水平角、对应出射信号的出射水平角，dx、dy分别为相邻超表面单元之间横向单元间距、纵向单元间距；
所述入射信号为在进行前向频率转换或后向频率转换时的入射信号，所述出射信号为在进行前向频率转换或后向频率转换时的出射信号。
7.如权利要求4所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，正方形辐射贴片的边长范围为：0.45λ～0.55λ，λ为超表面单元中心工作频率处的介质波长。
8.如权利要求4所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，4个馈电点对应4个电路结构相同的馈电电路，每个馈电电路均由电容、变容二极管和电感组成。
9.如权利要求4所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，所述超表面单元采用正方形铜辐射贴片和铜金属背板。
10.一种极化域和空间域非互易性超表面控制方法，使用权利要求1～9任一项所述装置，其特征在于，包含以下步骤：
根据出射信号频率和出射信号波束宽度，确定超表面单元的单元数，使得出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件；
根据入射信号和出射信号的极化状态，计算超表面单元的馈电点正交相位差值，每个超表面单元的所述馈电点正交相位差值均相同；
通过入射信号和出射信号的波束指向计算每个超表面单元加载的第一相位值；
通过改变所述馈电点正交相位差值，实现超表面装置极化域非互易性，通过对每个超表面单元单独加载第一相位值，实现超表面装置空间域非互易性。
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