【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及新型人工电磁材料，特别是涉及一种可重构的超表面波束调控器及其实现方法。
技术介绍
1、超表面是指将亚波长人工单元按照一定阵列准则排布在二维表面上，形成具有特定电磁调控功能的超薄复合结构。超表面具有广阔的应用前景，已经成为了超材料领域一个热门的研究方向。通过改变物理金属结构设计所需超表面是传统的设计方式。此结构一旦固定就难以改变，因此超表面的动态可调便被引入。研究者们通过在超表面单元中加载半导体元件，如变容管和pin二极管，实现了有源可调的动态超表面。此时的超表面还停留在模拟层面，难以实现一些功能较为复杂的设计。2014年，崔铁军教授等人创新性地将数字编码的概念引入到超材料设计中，提出了数字编码超表面，建立起了模拟和数字链接的桥梁，大大简化了设计流程降低了设计难度。同时通过将现场可编程逻辑门阵列(fpga)等具有数字控制和处理能力的器件与有源超表面结合，实现了可编程超表面。加载有源器件超表面能够对电磁波的相位、幅度、极化等多个方面进行动态调控，其调控能力与无源超表面相比得到巨大的提升。
2、目前大多数可编程超表面只针对单一电磁维度(如相位、幅度、极化、传播方向等)的动态调控进行设计，信息容量有限，难以满足复杂环境中的无线通信与雷达探测等实际应用需求。为进一步推进可编程超表面的高信息容量与高集成度发展进程，研究人员研发并实现对电磁波多维度物理特征的独立、可编程控制。然而，设计实现的双极化可编程超表面只能进行列控，超表面每一列单元只能共享同一偏置电压，这大大限制了超表面的多功能应用。
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1、专利技术目的：本专利技术的一个目的是提供一种电磁可重构的超表面波束调控器。
2、本专利技术的另一个目的是提供一种上述超表面的实现方法。
3、技术方案：本专利技术所述的可重构的超表面波束调控器，包括可重构超表面、超表面偏置电压板和可编程控制电路，所述可重构超表面由m×n个超表面单元阵列排布组成，每个超表面单元独立控制双极化编码，并连接到超表面偏置电压板；超表面偏置电压板和可编程控制电路相连；通过改变可编程控制电路的控制信号，可编程控制电路产生双极化独立偏置电压，并通过超表面偏置电压板提供给各个超表面单元，通过双极化独立偏置电压改变各个超表面单元在x和y方向上的双极化响应，实现对各个超表面单元正交极化上的独立调控。
4、可选的，超表面单元在两个极化方向上都有“00”、“01”、“10”和“11”四种状态。
5、可选的，超表面单元由上至下依次包括金属图案层、介质基板和金属地，金属图案层包括中心金属贴片和四个对称分布的金属贴片，其中，中心金属贴片位于中心位置，四个对称分布的金属贴片环绕在中心金属贴片四周，每个金属贴片通过一个变容管与中心金属贴片相连。
6、可选的，超表面单元的四个金属贴片分别通过四个第一通孔与超表面偏置电压板相连，超表面单元上的中心金属贴片，通过第二通孔和金属地相连。
7、可选的，通过将双极化独立偏置电压输送给加载在中心金属贴片与相对的两个金属贴片之间的两个变容管，改变超表面单元在x和y方向上的双极化响应。
8、可选的，通过偏置电压板上的走线，超表面单元两个极化方向上的变容管被独立连接到可编程控制电路上。
9、可选的，可编程控制电路包括微型控制单元和驱动电路，驱动电路使用模拟多路复用芯片提供偏压，每个模拟多路复用芯片有三个逻辑输入引脚，输出引脚连接到超表面偏置电压板，微型控制单元用于控制驱动电路。
10、所述的可重构的超表面波束调控器的实现方法，包括：
11、可编程控制电路根据编码图案生成各个超表面单元的双极化独立偏置电压；
12、通过双极化独立偏置电压动态调控超表面单元的状态，超表面单元在两个极化方向上都有“00”、“01”、“10”和“11”四种状态；
13、进而在整个超表面上生成不同的编码图案，通过可编程控制电路动态调控超表面的编码图案，能够实现波束偏转、电磁聚焦、双波束分裂功能的动态切换。
14、进一步的，可编程控制电路的微型控制单元将编码图案对应的编码矩阵转换为数据矩阵传输给驱动电路，驱动电路根据数据矩阵将对应电压传送给超表面偏置电压板，从而使得每一个超表面单元上两个极化方向上的变容管得到独立的偏置电压。
15、一种可重构超表面，所述可重构超表面由m×n个超表面单元阵列排布组成，超表面单元由上至下依次包括金属图案层、介质基板和金属地，金属图案层包括中心金属贴片和四个对称分布的金属贴片，其中，中心金属贴片位于中心位置，四个对称分布的金属贴片环绕在中心金属贴片四周，每个金属贴片通过一个变容管与中心金属贴片相连。
16、有益效果：与现有技术相比，本专利技术的显著技术效果为：通过可编程控制电路实现每个超表面单元独立可控，因而能够实现各种复杂功能，如波束调控、波束赋形、隐身、极化转换等；通过在超表面单元上集成四个变容管，水平方向的两个变容管用于调控x极化波的反射相位，竖直方向的两个变容管用于调控y极化波的反射相位，实现双极化2比特相位调控，为信息传输提供两个通道，大大提升了超表面在无线通信、信息交互领域的应用潜力。
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1.一种可重构的超表面波束调控器，其特征在于，包括可重构超表面(1)、超表面偏置电压板(2)和可编程控制电路(3)，所述可重构超表面(1)由m×n个超表面单元(4)阵列排布组成，每个超表面单元(4)独立控制双极化编码，并连接到超表面偏置电压板(2)；超表面偏置电压板(2)和可编程控制电路(3)相连；通过改变可编程控制电路(3)的控制信号，可编程控制电路(3)产生双极化独立偏置电压，并通过超表面偏置电压板(2)提供给各个超表面单元(4)，通过双极化独立偏置电压改变各个超表面单元(4)在x和y方向上的双极化响应，实现对各个超表面单元(4)正交极化上的独立调控。
2.根据权利要求1所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，超表面单元(4)在两个极化方向上都有“00”、“01”、“10”和“11”四种状态。
3.根据权利要求1所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，超表面单元(4)由上至下依次包括金属图案层、介质基板(44)和金属地(45)，金属图案层包括中心金属贴片(41)和四个对称分布的金属贴片(42)，其中，中心金属贴片(41)位于中心位置，四个对称分
4.根据权利要求3所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，超表面单元的四个金属贴片(42)分别通过四个第一通孔(46)与超表面偏置电压板(2)相连，超表面单元(4)上的中心金属贴片(41)，通过第二通孔(47)和金属地(45)相连。
5.根据权利要求3所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，通过将双极化独立偏置电压输送给加载在中心金属贴片(41)与相对的两个金属贴片(42)之间的两个变容管(43)，改变超表面单元(4)在x和y方向上的双极化响应。
6.根据权利要求3所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，通过偏置电压板(2)上的走线，超表面单元(4)两个极化方向上的变容管(43)被独立连接到可编程控制电路(3)上。
7.根据权利要求1所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，可编程控制电路(3)包括微型控制单元(31)和驱动电路(32)，驱动电路使用模拟多路复用芯片提供偏压，每个模拟多路复用芯片有三个逻辑输入引脚，输出引脚连接到超表面偏置电压板(2)，微型控制单元(31)用于控制驱动电路(32)。
8.一种权利要求1-7任一项所述的可重构的超表面波束调控器的实现方法，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的可重构的超表面波束调控器的实现方法，其特征在于，可编程控制电路(3)的微型控制单元(31)将编码图案对应的编码矩阵转换为数据矩阵传输给驱动电路(32)，驱动电路(32)根据数据矩阵将对应电压传送给超表面偏置电压板(2)，从而使得每一个超表面单元(4)上两个极化方向上的变容管(43)得到独立的偏置电压。
10.一种可重构超表面，其特征在于，所述可重构超表面由m×n个超表面单元(4)阵列排布组成，超表面单元(4)由上至下依次包括金属图案层、介质基板(44)和金属地(45)，金属图案层包括中心金属贴片(41)和四个对称分布的金属贴片(42)，其中，中心金属贴片(41)位于中心位置，四个对称分布的金属贴片(42)环绕在中心金属贴片(41)四周，每个金属贴片(42)通过一个变容管(43)与中心金属贴片(41)相连。
...【技术特征摘要】
1.一种可重构的超表面波束调控器，其特征在于，包括可重构超表面(1)、超表面偏置电压板(2)和可编程控制电路(3)，所述可重构超表面(1)由m×n个超表面单元(4)阵列排布组成，每个超表面单元(4)独立控制双极化编码，并连接到超表面偏置电压板(2)；超表面偏置电压板(2)和可编程控制电路(3)相连；通过改变可编程控制电路(3)的控制信号，可编程控制电路(3)产生双极化独立偏置电压，并通过超表面偏置电压板(2)提供给各个超表面单元(4)，通过双极化独立偏置电压改变各个超表面单元(4)在x和y方向上的双极化响应，实现对各个超表面单元(4)正交极化上的独立调控。
2.根据权利要求1所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，超表面单元(4)在两个极化方向上都有“00”、“01”、“10”和“11”四种状态。
3.根据权利要求1所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，超表面单元(4)由上至下依次包括金属图案层、介质基板(44)和金属地(45)，金属图案层包括中心金属贴片(41)和四个对称分布的金属贴片(42)，其中，中心金属贴片(41)位于中心位置，四个对称分布的金属贴片(42)环绕在中心金属贴片(41)四周，每个金属贴片(42)通过一个变容管(43)与中心金属贴片(41)相连。
4.根据权利要求3所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，超表面单元的四个金属贴片(42)分别通过四个第一通孔(46)与超表面偏置电压板(2)相连，超表面单元(4)上的中心金属贴片(41)，通过第二通孔(47)和金属地(45)相连。
5.根据权利要求3所述的可重构的超表面波束调控器，其特征在于，通过将双极化独立偏置电压输送给加载在...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋卫祥，张信歌，胡秋岑，李奇阳，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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