一种电磁能量感知的智能隐身超表面

本发明涉及隐身超表面领域，特别是涉及一种电磁能量感知的智能隐身超表面。

背景技术：

电磁波隐身作为一种使物体无法被电磁波探测器或者人眼识别的技术，在军事、航天、海洋等技术领域具有及其中重要的研究价值。在过去的二十年里，超材料和变换光学的出现为传统的电磁隐身领域注入了新的活力，迅速成为了21世纪电磁领域的研究热点。目前的隐身技术主要分为四类：拟态隐身；幻觉隐身；绕波隐身；以及吸波隐身。传统的吸波隐身主要是通过在物体表面涂敷吸波层和特殊的外形设计结合来实现降低雷达散射截面来实现隐身，由超表面设计的传统结构的吸波隐身，仅可在通带内吸波实现隐身，通带外透波实现通信，隐身和通信未在同一频段，无法实时切换隐身状态和通信状态，极化敏感，入射角度敏感，仍需人工干预。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电磁能量感知的智能隐身超表面，以解决无法实时切换隐身状态和通信状态，极化敏感，入射角度敏感，仍需人工干预的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电磁能量感知的智能隐身超表面，包括：超表面、能量感知模块以及微控制器；

所述超表面包括多个周期性排布的超表面单元；所述超表面单元由上至下叠层设置有上层金属结构、中层金属结构以及下层金属结构；

所述上层金属结构包括第一介质基板、以及设于所述第一介质基板上的正方形金属贴片以及4个长方形金属贴片；所述正方形金属贴片设于所述第一介质基板的中心位置，4个所述长方形金属贴片分别设于所述第一介质基板的边缘中心位置，且4个所述长方形金属贴片之间设有第一间隙，所述正方形金属贴片与所述长方形金属贴片之间设有第二间隙，所述第二间隙内设有pin二极管；所述下层金属结构与所述上层金属结构的结构相同；

所述能量感知模块分别与所述超表面以及所述微控制器相连接，所述微控制器与所述pin二极管相连接；所述能量感知模块用于探测入射至所述超表面上的入射波的电磁特性，并将所述电磁特性反馈至所述微控制器；所述微控制器用于根据所述电磁特性控制所述pin二极管的电压值，以切换所述超表面的工作状态；所述工作状态包括通信状态以及隐身状态。

可选的，所述中间金属结构具体包括：中空开槽正方形金属贴片以及第二介质基板；

所述第二介质基板嵌合至所述中空开槽正方形金属贴片；在垂直方向上，所述第二介质基板与所述正方形金属贴片相重合，所述中空开槽正方形金属贴片与所述第一介质基板相重合。

可选的，每个所述第二间隙内仅设有一个所述pin二极管；所述pin二极管用于连接所述正方形金属贴片以及所述长方形金属贴片；所述pin二极管的正极与所述长方形金属贴片相连接，所述pin二极管的负极与所述正方形金属贴片相连接。

可选的，所述能量感知模块具体包括：微带天线以及检测波芯片；

所述微带天线设于所述上层金属结构内的第一介质基板上，所述检测波芯片设于所述下层金属结构内的第一介质基板上。

可选的，所述检测波芯片的型号为ltc5530。

可选的，所述微控制器具体包括：单片机以及现场可编程门阵列；

所述单片机与所述现场可编程门阵列相连接；所述现场可编程门阵列与所述pin二极管相连接；所述单片机与所述能量感知模块相连接。

可选的，所述微控制器向所述上层金属结构内的pin二极管以及所述下层金属结构内的pin二极管提供0v电压，所述pin二极管的电阻值为1kmω，使得所述超表面在垂直方向上的入射波的入射状态为透波状态，所述透波状态为通信状态。

可选的，所述微控制器向所述上层金属结构内的pin二极管提供0.8v电压，所述上层金属结构内的pin二极管的电阻值为20ω，向所述下层金属结构内的pin二极管提供0.6v电压，所述下层金属结构内的pin二极管的电阻值为300ω，使得所述超表面在垂直方向上的入射波的入射状态为吸波状态，所述吸波状态为隐身状态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种电磁能量感知的智能隐身超表面，通过多个超表面单元周期性排布的超表面与能量感知模块连接，以检测超表面上入射电磁波的电磁特性(具体为入射波信号)，并将其反馈给微控制器；上层金属结构的第二缝隙以及下层金属结构的第二缝隙添加pin二极管，微控制器根据电磁特性控制pin二极管的电压值改变pin二极管的电阻值，从而能够实时切换使该智能隐身超表面的吸波状态和透波状态，以实现动态切换该智能隐身超表面的工作状态，无需人工干预，具有智能化，结构简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的电磁能量感知的智能隐身超表面结构示意图；

图2为本发明所提供的上层金属结构或下层金属结构的示意图；

图3为本发明所提供的超表面单元的侧视图；

图4为本发明所提供的中间金属结构的示意图；

图5为本发明所提供的电磁能量感知的智能隐身超表面结构在通信状态下x极化波的s参数示意图；

图6为本发明所提供的电磁能量感知的智能隐身超表面结构在隐身状态下y极化波的s参数示意图；

图7为本发明所提供的电磁能量感知的智能隐身超表面结构在通信状态下x极化波的s参数示意图；

图8为本发明所提供的电磁能量感知的智能隐身超表面结构在隐身状态下y极化波的s参数示意图；

图9为本发明所提供的电磁能量感知的智能隐身超表面结构在通信状态下，x极化波在不同的仰角入射下的s参数示意图；

图10为本发明所提供的电磁能量感知的智能隐身超表面结构在隐身状态下，x极化波在不同的仰角入射的s参数示意图；

图11为本发明所提供的能量感知模块ltc5530芯片的外围电路图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅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。

本发明的目的是提供一种电磁能量感知的智能隐身超表面，能够实时切换隐身状态和通信状态。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的电磁能量感知的智能隐身超表面结构示意图，图1中所示的电磁能量感知的智能隐身超表面由8*8个超表面单元1排列而成，一种电磁能量感知的智能隐身超表面，包括：超表面、能量感知模块以及微控制器；所述超表面包括多个周期性排布的超表面单元1；所述超表面单元1由上至下叠层设置有上层金属结构1-1、中层金属结构1-2以及下层金属结构。所述上层金属结构1-1，所述中层金属结构1-2和所述下层金属结构的间隙由介质基板填充。

如图2-图3所示，所述上层金属结构1-1包括第一介质基板1-1-1、以及设于所述第一介质基板1-1-1上的正方形金属贴片1-1-2以及4个长方形金属贴片1-1-3；所述正方形金属贴片1-1-2设于所述第一介质基板1-1-1的中心位置，4个所述长方形金属贴片1-1-3分别设于所述第一介质基板1-1-1的边缘中心位置，且4个所述长方形金属贴片1-1-3之间设有第一间隙，所述正方形金属贴片1-1-2与所述长方形金属贴片1-1-3之间设有第二间隙，所述第二间隙内设有pin二极管1-1-4；所述下层金属结构与所述上层金属结构1-1的结构相同；所述超表面由于结构的设计能够实现极化不敏感和入射角度不敏感。

所述能量感知模块分别与所述超表面以及所述微控制器相连接，所述微控制器与所述pin二极管1-1-4相连接；所述能量感知模块用于探测入射至所述超表面上的入射波的电磁特性，电磁特性包括入射波信号、入射波极化方式，入射波频率及入射波能量密度，并将所述电磁特性反馈至所述微控制器；所述微控制器用于根据所述电磁特性控制所述pin二极管1-1-4的电压值，以切换所述超表面的工作状态；所述工作状态包括通信状态以及隐身状态。

在实际应用中，图4为中间金属结构示意图，如图4所示，所述中间金属结构具体包括：中空开槽正方形金属贴片1-2-1以及第二介质基板1-2-2；所述第二介质基板1-2-2嵌合至所述中空开槽正方形金属贴片1-2-1；在垂直方向上，所述第二介质基板1-2-2与所述正方形金属贴片1-1-2相重合，所述中空开槽正方形金属贴片1-2-1与所述第一介质基板1-1-1相重合。

在实际应用中，每个所述第二间隙内仅设有一个所述pin二极管1-1-4；所述pin二极管1-1-4用于连接所述正方形金属贴片1-1-2以及所述长方形金属贴片1-1-3；所述pin二极管1-1-4的正极与所述长方形金属贴片1-1-3相连接，所述pin二极管1-1-4的负极与所述正方形金属贴片1-1-2相连接。

在实际应用中，所述能量感知模块具体包括：微带天线以及检测波芯片；所述微带天线设于所述上层金属结构1-1内的第一介质基板1-1-1上，所述检测波芯片设于所述下层金属结构内的第一介质基板1-1-1上；所述检测波芯片的型号为ltc5530。此外，所述能量感知模块还包括外围电路，具体如图11所示，射频能量由ltc5530芯片的pin1输入，由pin5输出直流信号，外围电路的各器件的参数：r1＝68kω，r2＝22kω，r3＝82kω，r4＝10kω，c1＝0.1μf，c2＝100pf，c2＝39pf，vcc＝6.3v，vena＝7.1v。

在实际应用中，所述微控制器具体包括：单片机以及现场可编程门阵列；所述单片机与所述现场可编程门阵列相连接；所述现场可编程门阵列与所述pin二极管1-1-4相连接；所述单片机与所述能量感知模块相连接。

在实际应用中，图5-图8仿真结果展示了本发明通信状态和隐身状态下x极化波和y极化波的s参数，实现通信的功能如图5和图7所示，所述微控制器向所述上层金属结构1-1内的pin二极管1-1-4以及所述下层金属结构内的pin二极管1-1-4提供0v电压，所述pin二极管1-1-4的电阻值为1kmω，使得所述超表面在垂直方向上的入射波的入射状态为透波状态，所述透波状态为通信状态。即实现了对+z方向的入射波的透波即通信的功能，且通过对比图5和图7可知，本发明实现了极化不敏感的特性。

实现隐身的功能图6和图8所示，所述微控制器向所述上层金属结构1-1内的pin二极管1-1-4提供0.8v电压，所述上层金属结构1-1内的pin二极管1-1-4的电阻值为20ω，向所述下层金属结构内的pin二极管1-1-4提供0.6v电压，所述下层金属结构内的pin二极管1-1-4的电阻值为300ω，使得所述超表面在垂直方向上的入射波的入射状态为吸波状态，所述吸波状态为隐身状态。即实现了对+z方向吸波即隐身的功能，且通过对比图6和图8可知，本发明实现了极化不敏感的特性。

图9-图10仿真结果展示了本发明在不同的仰角入射下该发明通信和隐身状态的s参数，图9为仰角为10°、20°、30°表现出在通信状态下的s仿真参数；图10为仰角为10°、20°、30°表现出了在隐身状态下的s仿真参数，均表现出了角度不敏感的特性。

本发明通过能量感知模块反馈到微控制器的入射波信号来控制pin二极管1-1-4的电压值改变pin二极管1-1-4电阻值，使该超表面的吸波状态和透波状态可以实时切换；实现动态切换所述超表面的工作状态，无需人工干预，具有智能化，结构简单。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。