可调宽带反射型相位调控时空编码的超表面单元

1.本公开涉及电磁材料技术领域，具体涉及一种可调宽带反射型相位调控时空编码的超表面单元。


背景技术：

2.新型人工电磁材料又称电磁超材料，由于其控制电磁波传播的能力吸引了各界的广泛关注。作为电磁超材料的二维形式，人工电磁超表面通常是由亚波长单元经过周期排列组成。通过对人工电磁超表面单元的结构尺寸设计，可以使超表面单元在特定的工作频段对电磁波传播特性如相位、幅度和极化方向等进行精确调控。
3.传统相位调控常常采用移相器加载于射频终端模块后级实现，人工电磁材料可利用其动态电磁响应特性和时分复用技术实现更灵活的电磁波调控，能较好的实现系统小型化集成的目标，因此在实际应用中具有更好的应用前景。基于时空编码的相位调控超表面作为一种时变材料，实现对雷达电磁回波信号的灵活调控，在合成孔径雷达成像探测，电子对抗等方面具有重大应用价值。
4.当前多数人工超表面存在相位调制难度大与工作频带较窄的问题，许多人工超表面设计完成后工作频段即固定，没有良好的调节方式，使得电磁超表面的应用受到极大的限制。中国专利cn110911845a公开了一种宽带零交叉极化时空编码数字超表面单元，工作频带为7.71-9.48ghz，带宽为1.77ghz，相对带宽20.5％，带宽相对较宽但未覆盖整个x频段，且工作频段不可调；中国专利cn110896171a公开了一种超宽带极化转换超表面结构，可在14.3ghz～43.2ghz的超宽带范围内将线极化波转换为正交极化波，但结构固定，无法动态调控相位。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供一种可调宽带反射型相位调控时空编码的超表面单元。本公开针对上述现有技术中的不足，提出一种可调宽带反射型相位调控时空编码超表面单元及调控方法，扩展了工作带宽，同时调节灵活，便于时空编码超表面工业化和集成化应用。
6.第一方面，本公开实施例中提供了一种可调宽带反射型相位调控时空编码的超表面单元，包括从上至下依次设置的顶层辐射金属层(1)、中间介质板层(2)和底层金属地(3)和两个金属化过孔(4)和(5)，其中，
7.所述顶层辐射金属层(1)包括射频开关(6)、第一l型金属条带(8)、第二l型金属条带(9)，射频开关(6)位于所述超表面单元的中心位置，第一l型金属条带(8)包括两部分关于射频开关(6)旋转对称连接的l型金属条带；第二l型金属条带(9)末端开路，另一端与第一l型金属条带(8)的末端连接，第二l型金属条带(9)包括两部分关于射频开关(6)旋转对称分布的l型金属条带；
8.两个所述金属化过孔(4)和(5)穿过所述中间介质层(2)，用于将第一l型金属条带(8)与底层金属地(3)进行电连接，所述金属化过孔(4)和(5)关于所述射频开关(6)中心对
称，电压通过所述金属化过孔(4)和(5)控制所述射频开关(6)通断；
9.所述底层金属地(3)在所述超表面单元中央沿所述射频开关(6)的放置方向，蚀刻有三个金属间隙(10)、(11)和(12)，所述三个金属间隙(10)、(11)和(12)将所述底层金属地(3)分割为两部分；
10.所述顶层辐射金属层(1)通过所述两个金属化过孔(4)和(5)，与底层金属地(3)连接，在所述射频开关(6)的控制下，共同实现相位调控时空编码的效果。
11.进一步地，所述超表面单元边长的取值范围为0.221λ
t
≤d≤0.256λ
t
，λ
t
＝c/f
t
，其中f
t
是工作频段中心频率，c是真空中光速，λ
t
是工作频段中心频率对应的波长。
12.进一步地，所述第一l型金属条带(8)的l型较宽部分的宽度w3的取值范围为0.0669λ
t
≤w3≤0.0758λ
t
，l型较窄部分的宽度w2的取值范围为0.0428λ
t
≤w2≤0.0485λ
t
，纵向长度l2的取值范围为0.134λ
t
≤l2≤0.152λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长；
13.所述第二l型金属条带(9)的l型较宽宽度w1的取值范围为0.0857λ
t
≤w1≤0.0971λ
t
，纵向长度l1的取值范围为0.165λ
t
≤l1≤0.187λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长；
14.所述第一l型金属条带(8)与第二l型金属条带(9)相连，共同组成辐射体的一部分，第一l型金属条带(8)与第二l型金属条带(9)之间的纵向间隙距离d1的取值范围是0.008λ
t
≤d1≤0.009λ
t
，横向间隙距离d2的取值范围是0.008λ
t
≤d1≤0.0238λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长。
15.进一步地，所述射频开关(6)和所述顶层辐射金属层(1)的中心对称连接；和/或，
16.所述顶层辐射金属层(1)、中间介质板层(2)、底层金属地(3)、两个金属化过孔(4)(5)和射频开关(6)分别关于所述超表面单元呈中心对称。
17.进一步地，所述两个金属化过孔(4)和(5)的内侧壁均覆金属。
18.进一步地，所述中间介质板层(2)采用电介质材料，相对介电常数为2～4.5，介质厚度h取值范围为0.05λ
t
≤h≤0.25λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长。
19.进一步地，所述底层金属地(3)上蚀刻的所述三个金属间隙(10)、(11)和(12)的间隙距离取值关系为d4＝d5＝d3/2，间距d3的取值范围为0.005λ
t
≤d3≤0.006λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长。
20.进一步地，所述底层金属地(3)被所述金属间隙(10)分隔为两部分(13)和(14)，所述底层金属地(3)作为金属底板用于阻挡电磁波透射，同时所述底层金属地(3)的两部分(13)和(14)也作为电极分别接外部驱动电源的正极和负极。
21.第二方面，本公开实施例中提供了一种如第一方面所述的超表面单元的相位调控方法，所述调控制方法包括：
22.利用线极化入射波沿着射频开关导通方向照射所述超表面单元；
23.所述线极化入射波传播到所述超表面单元的底层金属地(3)上后，反射回所述顶层辐射金属层(1)；
24.通过对电源正极和负极施加电压或断开电压的方式，开启或者关闭射频开关，以改变等效电路中电感值的大小，以调控所述超表面单元的相位。
25.进一步地，所述方法还包括：
26.将外部驱动电源连接至底层金属地，并利用所述外部驱动电源通过时变调制方式
控制射频开关的通断，来调控所述超表面单元的动态电磁响应。
27.本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
28.本公开与现有技术相比，具有如下优点：
29.1)本公开采用中心对称的时空编码超表面单元结构，两种中心对称l型金属条带关于射频开关中心对称连接，延长高频电流回流路径。利用外部电路对底层金属地加电，通过金属化过孔时变调制射频开关通断，可实现宽带化180度时变相位调控。
30.2)本公开可通过调节时空编码超表面单元结构，利用等效电路理论，改变等效电路感值，从而有效指导调控超表面单元工作频段。
31.本公开所给出的两个例子分别在8.11ghz-13.58ghz工作频段内(相对带宽50.4％)实现了180
°±
30
°
的相移，7.79ghz-13.39ghz工作频段内(相对带宽52.8％)实现了180
°±
35
°
的相移，同时仿真结果表明两个实施例的谐振点发生了变化，即实现了宽频段可调1-bit相位编码，仿真结果和理论分析结果具有非常高的一致性。
32.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
33.结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
34.图1示出根据本公开一实施方式的超表面单元的整体结构示意图；
35.图2示出根据本公开一实施方式的超表面单元的顶层结构示意图；
36.图3示出根据本公开一实施方式的顶层辐射金属层的等效示意图；
37.图4示出根据本公开一实施方式的超表面单元等效电路示意图；
38.图5(a)和图5(b)示出根据本公开一实施方式的超表面单元电场分布示意图；
39.图6(a)和图6(b)示出根据本公开一实施方式的实施例1中超表面单元反射相位和回波损耗曲线示意图；
40.图7(a)和图7(b)示出根据本公开一实施方式的实施例2超表面单元反射相位和回波损耗曲线图；
41.图8示出根据本公开一实施方式的实施例1与实施例2中谐振点频率变化示意图。
具体实施方式
42.下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。
43.在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
44.另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
45.下面通过具体实施例详细介绍本公开实施例的细节。
46.图1示出根据本公开一实施方式的超表面单元的整体结构示意图。图2示出根据本公开一实施方式的超表面单元的顶层结构示意图。如图1和图2所示，该超表面单元包括：从上至下依次设置的顶层辐射金属层1、中间介质板层2和底层金属地3和两个金属化过孔4和5，其中，
47.顶层辐射金属层1包括射频开关6、第一l型金属条带8、第二l型金属条带9，射频开关6位于超表面单元的中心位置，第一l型金属条带8包括两部分关于射频开关6旋转对称连接的l型金属条带；第二l型金属条带9末端开路，另一端与第一l型金属条带8的末端连接，第二l型金属条带9包括两部分关于射频开关6旋转对称分布的l型金属条带；
48.两个金属化过孔4和5穿过中间介质层2，用于将第一l型金属条带8与底层金属地3进行电连接，金属化过孔4和5关于射频开关6中心对称，电压通过金属化过孔4和5控制射频开关6通断；
49.底层金属地3在超表面单元中央沿射频开关6的放置方向，蚀刻有三个金属间隙10、11和12，三个金属间隙10、11和12将底层金属地3分割为两部分；
50.顶层辐射金属层1通过两个金属化过孔4和5，与底层金属地3连接，在射频开关6的控制下，共同实现相位调控时空编码的效果。
51.在一些实施例中，所述超表面单元为可调宽带反射型相位调控时空编码超表面单元。
52.在一些实施例中，超表面单元边长的取值范围为0.221λ
t
≤d≤0.256λ
t
，λ
t
＝c/f
t
，其中f
t
是工作频段中心频率，c是真空中光速，λ
t
是工作频段中心频率对应的波长。
53.在一些实施例中，第一l型金属条带8的l型较宽部分的宽度w3的取值范围为0.0669λ
t
≤w3≤0.0758λ
t
，较窄宽度w2的取值范围为0.0428λ
t
≤w2≤0.0485λ
t
，纵向长度l2的取值范围为0.134λ
t
≤l2≤0.152λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长；
54.第二l型金属条带9的l型较宽宽度w1的取值范围为0.0857λ
t
≤w1≤0.0971λ
t
，纵向长度l1的取值范围为0.165λ
t
≤l1≤0.187λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长；
55.第一l型金属条带8与第二l型金属条带9相连，共同组成辐射体的一部分，第一l型金属条带8与第二l型金属条带9之间的纵向间隙距离d1的取值范围是0.008λ
t
≤d1≤0.009λ
t
，横向间隙距离d2的取值范围是0.008λ
t
≤d1≤0.0238λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长。
56.在一些实施例中，可以通过调整第一l型金属条带8与第二l型金属条带9之间的间距可调整超表面单元的等效电路中电容值大小，进而调整超表面单元的工作频段。
57.在一些实施例中，射频开关6和顶层辐射金属层1的中心对称连接。
58.在一些实施例中，射频开关可采用pin二极管。
59.在一些实施例中，两个金属化过孔4和5的内侧壁均覆金属。
60.在一些实施例中，中间介质板层2采用电介质材料，相对介电常数为2～4.5，介质厚度h取值范围为0.05λ
t
≤h≤0.25λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长。
61.在一些实施例中，底层金属地3上蚀刻的三个金属间隙10、11和12的间隙距离取值关系为d4＝d5＝d3/2，间距d3的取值范围为0.005λ
t
≤d3≤0.006λ
t
，其中λ
t
是工作频段中心频率对应的波长。
62.在一些实施例中，底层金属地3被金属间隙10分隔为，底层金属地3作为金属底板
用于阻挡电磁波透射，同时底层金属地3的两部分13和14也作为电极分别接外部驱动电源的正极和负极。
63.在一些实施例中，本公开实施例提供了一种上述超表面单元的相位调控方法，包括：
64.利用线极化入射波沿着射频开关导通方向照射超表面单元；
65.线极化入射波传播到超表面单元的底层金属地3上后，反射回顶层辐射金属层1；
66.通过对电源正极和负极施加电压或断开电压的方式，开启或者关闭射频开关，以改变等效电路中电感值的大小，以调控超表面单元的相位。；
67.图3示出根据本公开一实施方式的顶层辐射金属层的等效示意图。如图3所示，金属化过孔4、5恒接地，顶层辐射金属层周围分别等效为理想电场壁，该超表面单元等效电路如图4所示。
68.当电源正极和负极未加电压时，射频开关未开启，等效于断路，如图5(a)所示电场主要集中于两种l型金属条带之间的横向间隙d1周围，横向间隙d1主要影响等效电路图中的c2数值，进而影响谐振特性，此时反射波的相位响应定义为超表面的关断状态，为“0”状态。
69.当电源正极和负极加电压时，射频开关开启，等效于通路，如图5(b)所示电场主要集中于两种l型金属条带顶部周围，此时纵向间隙d1不变，等效电路谐振特性主要受两种l型金属条带纵向长度l1和l2以及d2的影响，纵向长度主要影响等效电路图中的电感l1和l2数值，进而影响谐振特性，此时反射波的相位响应定义为超表面的导通状态，为“1”状态。
70.射频开关导通与关闭，主要影响高频电磁波感应电流路径，从而改变等效电路中电感值的大小。对比超表面两种状态，电场特性主要区别在于l型金属条带外围电场分布，由于l型金属条带弯折的特性，高频电流路径较长，单元的等效电尺寸增大，可保证在较宽的频段内导通状态与关断状态之间稳定的1比特180度相位响应调控；
71.在顶层辐射金属层1纵向间隙d1不变的情况下，通过延长金属臂7的尺寸w5，调整横向间隙d2的尺寸和金属臂l1长度，可使得等效电路中c2容值基本不变的情况下，改变等效电路图中的电感l1和l2数值，根据谐振频率公式在保证等效电路容值基本不变的情况下，改变等效电感值可有效调整编码超表面单元的工作频段；
72.调整横向间隙后关断模式和导通模式各自的电场分布在工作频段内基本保持一致，从而获得了两种模式之间稳定的相位差。
73.在一些实施例中，外部驱动电源与底层金属地13、14两部分作射频隔离后作连接，外部驱动电源通过时变调制方式控制射频开关通断，调控时变编码超表面的动态电磁响应。
74.在一些实施例中，顶层辐射金属层1、中间介质板层2、底层金属地3、两个金属化过孔45和射频开关6都关于超表面单元呈中心对称，可实现较低的交叉极化，保证反射波幅度、相位的一致性。
75.下面通过详细实施例说明本公开的具体细节。
76.实施例1
77.参照图1所示，本实施例从上至下依次为：顶层辐射金属层1、中间介质板层2和底
层金属地3，中间层介质板层2上表面与顶层辐射金属层1相接，中间层介质板层2下表面与底层金属地3相接，两个金属化过孔4、5从顶层金属层穿过介质板层与金属地3电连接，金属化过孔内侧壁均覆金属，射频开关6位于顶层辐射金属层的中心连接两种l型金属条带8、9，金属壁7连接这两种金属条带，底层金属地3被金属间隙10、11和12分割为13与14部分。
78.参照图2，所述可调宽带反射型相位调控时空编码超表面单元边长a的取值范围为0.221λ
t
≤d≤0.256λ
t
，第一l型金属条带8的顶部宽度w3的取值范围为0.0669λ
t
≤w3≤0.0758λ
t
，宽度w2的取值范围为0.0428λ
t
≤w2≤0.0485λ
t
，纵向长度l2的取值范围为0.134λ
t
≤l2≤0.152λ
t
，第二l型金属条带9的顶部宽度w1的取值范围为0.0857λ
t
≤w1≤0.0971λ
t
，纵向长度l1的取值范围为0.165λ
t
≤l1≤0.187λ
t
，第一l型金属条带8与第二l型金属条带9相连共同组成辐射体一部分，两种金属条带之间的纵向间隙d1距离0.008λ
t
≤d1≤0.009λ
t
，横向间隙d2距离0.008λ
t
≤d1≤0.0238λ
t
，中间介质板层2采用电介质材料，相对介电常数为2～4.5，介质厚度h取值范围为0.05λ
t
≤h≤0.25λ
t
，底层金属地3蚀刻金属间隙10、11和12，金属间隙取值关系为d4＝d5＝d3/2，间距d3的取值范围为0.005λ
t
≤d3≤0.006λ
t
，λ
t
＝c/f
t
，其中f
t
是工作频段中心频率，c是真空中光速，λ
t
是工作频段中心频率对应的波长，电磁波入射方向为沿射频开关通断方向。底层金属地3作为金属底板阻挡电磁波透射，同时13和14也作为电极分别接外部驱动电源的正极和负极。顶层辐射金属层1、中间介质板层2、底层金属地3、两个金属化过孔4、5和射频开关7都关于单元呈中心对称，外部驱动电源与底层金属地13和14两部分作射频隔离后作连接，外部驱动电源通过时变调制方式控制射频开关通断，调控时变编码超表面的动态电磁响应。
79.在实施例1中，各项参数的具体取值如下，但不限于该值：时空编码相位调控超表面单元工作频段中心频段为8ghz-13.58ghz，中心频率为10.79ghz，工作频段处于电磁波的x波段和ku波段，所述可调宽带反射型相位调控时空编码超表面单元边长a＝7.04mm，第一l型金属条带8的顶部宽度w3＝2.11mm，宽度w2＝1.32mm，纵向长度l2＝4.23mm，第二l型金属条带9的顶部宽度w1＝3.11mm，纵向长度l1＝5.15mm，第一l型金属条带8与第二l型金属条带9相连共同组成辐射体一部分，两种金属条带之间的纵向间隙d1＝0.26mm，横向间隙d2＝0.26mm，此时金属臂长度w5＝2.05mm，中间介质板层2采用电介质材料，相对介电常数为2.65，介质厚度h＝2.64mm，底层金属地3蚀刻金属间隙10、11和12，金属间隙取值关系为d4＝d5＝d3/2＝0.088mm，金属化过孔直径为0.25mm。
80.本实施例中射频开关采用二极管smp1340-079，smp1340-079工作带宽理论上可覆盖整个c波段/x波段，以及部分ku波段，当它导通时被等效为集总电感ls＝0.7nh，集总电阻r＝1.7ω串联，当它截止时可被等效为断路。
81.下面通过仿真实验对本公开实施例1工作频段的反射相位和回波损耗进行验证性说明。在本实施例中，设时变超表面单元个数在水平面无限大均匀分布，利用电磁仿真软件对本公开实施例进行仿真。
82.仿真内容与结果：在垂直入射情况下入射沿射频开关方向线极化电磁波，利用floquet端口对该超表面单元进行电磁仿真，得到反射相位和回波损耗曲线，如图6(a)和图6(b)所示。由图6(a)所示的回波损耗曲线和图6(b)所示的反射相位相位差可知，射频开关导通前后，该可调宽带反射型相位调控时空编码超表面单元在8.11ghz-13.58ghz频段内(相对带宽50.4％)实现了180
°±
30
°
的稳定相位差，工作频段中心频率为10.81ghz，回波损
耗s
11
为0.82db，传输系数s
12
低于-60db，同时图8中实线曲线显示了实施例1的谐振点所在频率。仿真结果表明该超表面单元具有良好的性能。
83.实施例2
84.在实施例2中，所述可调宽带反射型相位调控时空编码超表面单元的总体构成和具体结构同实施例1，参见图1和图2，在实施例2中，各项参数的具体取值如下，但不限于该值：时空编码相位调控超表面单元工作频段为7.79ghz-13.31ghz，中心频率为10.55ghz，工作频段处于c波段和x波段，由于等效电路中电容值c2受间隙d1影响最大，受其他间隙影响比较小，因此在保证其他结构参数与实施例1相同的情况下，拓宽两种金属条带之间的横向间隙d2＝0.66mm，延长金属臂长度l1＝5.1mm，即可保证等效电路中电容值c2不变的情况下，改变电感值的大小。根据谐振频率公式：
[0085][0086]
可知，当等效出的等效电容值c2不变时，改变等效电感值可有效改变谐振频率，从而改变实施例工作频段，因此，改变金属条带长度后成功将实施例1中工作频段调节为实施例2工作频段。
[0087]
下面通过仿真实验对本公开实施例2工作频段的反射相位和回波损耗进行验证性说明。在本实施例中，设时变超表面单元个数在水平面无限大均匀分布，利用电磁仿真软件对本公开实施例进行仿真。
[0088]
仿真内容与结果：在垂直入射情况下入射沿射频开关方向线极化电磁波，利用floquet端口对该超表面单元进行电磁仿真，得到反射相位和回波损耗曲线，如图7(a)和图7(b)所示。由图7(a)所示的回波损耗曲线和图7(b)反射相位相位差可知，射频开关导通前后，该可调宽带反射型相位调控时空编码超表面单元在7.79ghz-13.39ghz频段内(相对带宽52.8％)实现了180
°±
35
°
的稳定相位差，工作频段中心频率为10.59ghz，回波损耗s
11
为0.86db，传输系数s
12
低于-60db，仿真结果显示该超表面单元在平移工作频段后依然具有良好的性能。同时图8中虚线曲线显示了实施例2的谐振点所在频率，与实施例1相比，实施例2谐振点同时平移，有效改变了实施例工作频段。
[0089]
以上电磁仿真结果表明，本实例的超表面单元实现了宽频段(相对带宽大于45％)反射型1-bit时空编码相位调控，同时与等效电路理论相结合，实现了工作频段的灵活调节，频段可调的同时工作性能稳定。
[0090]
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。