基于可调梯度超表面的反射电磁波调制器及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于反射体系技术领域，具体涉及一种基于可调梯度超表面的反射电磁波 调制器及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 异向介质（Metamaterials，MTMs)是指自然界本身并不存在，人们采用亚波长人工 微结构单元并依据电磁理论设计出来的具有某种电响应或磁响应的"特异"人工复合结构 或材料。虽然人们通过三维异向介质可以任意操控电磁波，但高损耗和制作的复杂性极大 限制了它的应用。因此目前真正意义上的应用并不多。作为异向介质的一种二维平面形式， 超表面应运而生，由于其独特的电磁特性和平面结构且能与飞机、导弹、火箭以及卫星等高 速运行目标共形而不破坏其外形结构及空气动力学等特性，近年来受到研究人员的青睐和 广泛关注。超表面按折射率/相位是否渐变可分为梯度超表面（GradientMetasurfaces， GMS)和均匀超表面（HomogenousMetasurfaces，HMS)。2011 年，基于GMS发现的广义Snell 折射/反射定律开辟了人们控制电磁波和光的全新途径和领域，正在推动该领域产生一场 技术革新，GMS也因此成为异向介质新的分枝和研究热点。相对于技术较为成熟的HMS，GMS 是基于相位突变和极化控制思想设计的一种二维梯度结构，可对电磁波的激发和传输进行 灵活控制，实现奇异折射/反射、极化旋转以及非对称传输等奇异功能，具有更加强大的电 磁波调控能力，目前相关应用研究还处于起步阶段。尽管如此，GMS在隐身表面、共形天线、 数字编码、平板印刷等方面显示了巨大的潜在应用价值，成为各国抢夺的一个学科制高点 和学科前沿。
[0003] 以往超表面一旦工作频率改变，要想得到同样的电磁特性必须重新设计结构参 数，效率低、可复用性差。随着超表面研究的深入和电磁操控技术的发展，人们通过外加调 控器件即可实现对单元谐振频率和表面阻抗的实时调控，获得超表面的奇异动态电磁特 性，为新功能器件和电磁波调制器件的实现和验证提供了新的方法和手段。但以往可调超 表面的研究仅局限于HMS，至今还未见关于可调梯度超表面（TunableGMS，TGMS)的公开报 道。同时对于可调HMS来说，由于变容二极管的引入，Q值非常高，HMS的相位动态可调范围 很小，带宽非常窄。
【发明内容】
[0004] 本发明为了克服现有技术存在的不足，提供一种基于可调梯度超表面的反射电磁 波调制器及其设计方法。
[0005] 本发明首先提供一种可调梯度超表面（TGMS)单元，该TGMS单元主要由上层主谐 振器和副谐振器、中间介质板和下层金属接地板三部分组成；其中，所述主谐振器为I型金 属结构，由水平金属条、垂直金属条以及焊接于垂直金属条开口之间的变容二极管组成，所 述副谐振器由一对大小相同的金属贴片组成，用于在高频处产生对称的电响应。I型结构 中，水平金属条(线宽很窄的）用于提供一个高电抗值，发挥直流偏置的功能，防止高频微波 信号进入直流源而对直流偏压没有影响，从而可提高电路的稳定性。
[0006] 本发明还提供的基于上述TGMS单元的的反射电磁波调制器，该反射电磁波调制 器是一种宽带可调梯度超表面（即宽带TGMS)，宽带可调梯度超表面由超单元在二维平面内 周期延拓构成；超单元则由6个具有不同结构参数、相位的上述TGMS单元按尺寸大小顺序 排列组成，具有均匀的宽带相位梯度。
[0007] 本发明还提出上述宽带可调梯度超表面即反射电磁波调制器的参数设计方法，具 体步骤如下： 第一步：确定TGMS单元的周期(即TGMS单元尺寸，分为^和/VA为X方向的尺寸，A为y方向的尺寸)、相邻TGMS单元相位差Φ。（例如，设Φ0=6〇°，则TGMS单元个数为6,可 依次记为1#~6#TGMS单元)、初始工作频率（一般/。〈/。)、初始电容G(-般选择变容二极 管容值的下限)，并通过改变结构参数(例如改变4, 4,r3以及6；等)，得到一组1#~6#TGMS 单元相位呈线性梯度变化的结构参数；这里，为临界频率，4为I形结构的垂直金属线长 度，4、『3为贴片的高度和宽带，G为变容二极管的总电容； 第二步：对上述得到的1#~6#TGMS单元的反射相位进行仿真，扫描不同电容值C对应的 相位分布，得到各TGMS单元在不同频率下的电容-相位（C-Φ)分布； 第三步：根据C-Φ在不同频率处各TGMS单元所需电容心设置扫描频率步长(例如为 0. 005GHz)并以某个TGMS单元(例如，选择1#TGMS单元）在特定频率和0青形下的反射相 位为基准点，通过三次样条插值计算不同频率处严格满足均匀相位梯度时其它各TGMS单 元(例如2#-6#TGMS单元）所需相位,而后通过上述得到的C-Φ分布并通过三次样条插值 得到其它各TGMS单元所需电容q。若该频率处每个TGMS单元得到的q均在变容二极管 可达到的电容范围内（例如，0. 3pF〈q〈 1. 2pF)，则运算下一频率，否则改变初始电容;重 复循环上述步骤，直至得到满足电容范围的一组参数G若得到的电容组合不止一组，这里 选择电容跨越范围最小的一组；若G遍历电容范围内所有值均不能得到满足要求的一组参 数，则结束扫描，频率达到可调范围的边界； 第四步，根据获得的电容值，通过变容二极管的电容-电压（C-V)分布反推获得电压 值，这里需要对c-ν曲线进行插值计算得到每个频点处所需的电压值； 第五步，对上述6个TGMS单元按尺寸大小顺序排列形成超单元；对超单元在二维平面 内进行周期延拓，并通过偏置线(水平金属条）施加第四步得到的所需电压，则得到所需的 宽带TGMS，即反射电磁波调制器。
[0008] 以上步骤均通过matlab编程实现。
[0009] 本发明将可调技术与GMS相结合，通过在GMS单元中引入变容二极管和双谐振结 构，得到了具有相位补偿和相位连续可调的TGMS单元；本发明提出的TGMS单元，还在主 谐振结构附近巧妙引入一对等大金属贴片，其目的是为了引入新的谐振，通过调整贴片尺 寸并使其与主谐振相互配合即可实现两个谐振频率的顺利过渡和级联，从而有效降低了Q 值，拓展了TGMS的相位和频率调控范围，具有很高的设计自由度；同时TGMS提供了宽频动 态线性梯度和连续电磁波调控特性，拓展了GMS的应用领域，提高了GMS的工作效率，降低 了制作成本，在电磁波动态调制、新功能天线、宽频隐身和大容量通信领域具有广阔应用前 旦
[0010] 最后本发明TGMS的反射调控功能可直接拓展到TGMS透射调控中。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明宽带TGMS设计方法的流程图。
[0012] 图2是本发明基于变容二级管的TGMS单元拓扑结构；其中，为I形结构的垂 直金属线宽带和长度，4、『3为贴片的高度和宽度，6；为变容二极管的总电容，a、&为单元 在X和y方向的周期，『2为水平偏置线的宽度，4、4为I型结构与贴片之间在y和X方向 的间距，A为焊接变容二极管而留存的间距，A为介质板的厚度。
[0013] 图3是本发明TGMS单元的等效电路； 图 3 中提取的电路参数为：Α=18· 76nH，6；=0·lllpF，4=0. 059nH，C2=0. 196pF， $=8. 37Ω，尽=〇· 114Ω，Zc=204. 9Ω和 4=58. 9。。
[0014] 图4是本发明TGMS单元中变容二极管的等效电路模型，其中左边为spice电路模 型，右边为检测电路模型。
[0015] 图5是变容二极管SMV1430-079LF的C-V曲线。
[0016] 图6是不同情形下本发明TGMS单元的反射幅度曲线。
[0017] 图7是不同情形下本发明TGMS单元的反射相位曲线； 图 6 和图 7 中：单兀结构参数为 /?χ=/?γ=12πιπι，％=0· 8mm,r2=0. 5mm,r3=5. 1mm, 〇?=0· 25mm, 4=0- 5mm,hx-\.5mm,A2=4. 5mm和 /?〇=10mm〇
[0018] 图8是贴片宽度对本发明TGMS单元反射特性的影响曲线； 图8 中：单兀结构参数为 /?χ=/?γ=12πιπι,Cj=0. 31pF，％=0· 8mm,r2=0. 5mm,r3=5. 1mm, 〇i=0. 25mm,d2=lxm, hx-\.5mm,A2=4. 5mm和 /?〇=10mm〇
[0019] 图9是本发明TGMS的拓扑结构。
[0020] 图10是本发明1#~6#单元在4. 1GHz处的宽带反射幅度曲线。
[0021] 图11是本发明1#~6#单元在4. 1GHz处的宽带反射相位曲线。
[0022] 图12是对比方案下不同频率处TGMS中1#~6#单元的电容值。
[0023] 图13是不同频率处TGMS中1#~6#单元的电容值； 图 12 和图 13 中：单兀结构参数为 /?χ=/?γ=12πιπι, %=0· 8mm,r2=0. 5mm,r3=5. 1mm, 〇?=0· 25mm, 4=〇· 5mm, 々=1. 5mm和A3=2W2i/1〇
[0024] 图14是不同频率处TGMS中1#~6#单元的电压值。
[0025] 图15是6组电容、电压情形下1#~6#单元的反射幅度曲线。
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