一种传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器及其谐波生成方法

一种传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器及其谐波生成方法
【技术领域】
1.本发明涉及材料电磁调控领域，具体涉及一种传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器及其谐波生成方法。


背景技术：

2.电磁超表面是超材料的二维表示，由一系列相同的亚波长单元组成。它得益于其调制电磁波的独特能力，已经产生了独特的影响。因此，超表面被广泛地应用于不同的领域，如空间滤波器、天线罩、电磁屏蔽、波束控制等。有源超表面由于其具有在外部激励下操纵电磁波的能力而吸引了广泛的研究。然而，对有源超表面的研究主要集中在只有一个控制功能的准静态情况。时间变化调制对有源超表面和电磁波之间相互作用机制的影响很少被研究。
3.谐波生成现象可以通过利用时间变化的有源超表面对电磁波进行调制来实现，被广泛用于无线通信和雷达领域。近年来，时间调制超表面被提出，它揭示了时间调制可以产生频率谐波，并实现散射信号的谐波频谱变换。东南大学崔铁军教授团队设计了一种时域数字编码超表面来调制入射信号的频谱，通过对入射信号进行相位和幅度调制，可以产生多个离散的谐波峰值，同时其在无线通信系统中的应用也被探索研究。但是在上述情况下，每个单元或列占用一个调制比特，增加了调制复杂性和应用的难度。而且，当前在时间调制超表面的设计中，其极化信息往往被忽略。大多数时间调制超表面只能在特定的单极化情况下工作，导致其实现复杂电磁功能和多信息操作的能力显著降低。此外，在许多实际应用中还存在许多尚未考虑的限制，如频带范围、广角域稳定性、极化不敏感性、表面共形能力等。所有这些限制严重降低了时间调制超表面的适用性，阻碍了其发展。
4.柔性智能蒙皮技术是当前研究的一个热点，具有广阔的应用前景。作为一个重要组成部分，共形超表面技术被广泛应用于不同领域。然而，目前对柔性超表面的研究只是静态情况，只有一个电磁功能。它们在操控电磁波方面缺乏灵活性，无法实现实时动态地控制，阻碍了柔性超表面在复杂电磁环境中的应用。因此，在智能蒙皮技术应用中，迫切需要探索柔性多功能时间调制超表面。然而，用于共形的柔性多功能时间调制超表面的研究还未见报道。而且在共形结构下，获得一个具有独立极化控制能力的柔性多功能时间调制超表面也是一个更大的挑战。而且，共形多功能时间调制超表面在关于谐波生成技术方面的研究几乎没有。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的是提出了一种具有正交极化控制的柔性多功能时间调制超表面反射器(flexible multifunctional time-modulated metasurface reflector,简称fmtmmr)，可以用于曲面共形，来操控回波的谐波频谱分布。该发明将极化控制能力引入时间调制超表面，增加了调制自由度，能够同时或独立地控制正交极化电磁波。该柔性多功能
时间调制超表面反射器(fmtmmr)，可用于曲面共形。并且，通过独立地控制基板上下表面中pin二极管的通断状态，可以实现两种不同功能，包括电磁切换和极化控制。控制网络采用一个fpga外部激励进行整体控制，可以降低了整个系统的复杂度。
6.本发明的另一个目的是提出了一种传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器(transmission/reflection conformal multifunctional time-modulated metasurface reflector,简称t/r-cmtmmr)，以及一种在宽角域范围内对入射lfm信号的谐波生成方法。在柔性多功能时间调制超表面反射器(fmtmmr)设计的基础上，探索了t/r-cmtmmr对lfm信号波形调制的影响，可随时间快速动态调谐的t/r-cmtmmr，可以在广角域中操控回波信号。从信号层面建立了时间调制模型，实现了反射式多谐波生成的效果。最后，利用线性调频(linear frequency modulation，简称lfm)信号回波实验，验证了该方法的有效性。
7.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
8.一种柔性多功能时间调制超表面反射器(fmtmmr)，主要包括反射式柔性多功能可调制超表面阵列(flexible multifunctional modulated metasurface array,简称fmmma)、第一控制接口、第二控制接口和现场可编程门阵列(fpga)时间调制控制系统。所述的反射式柔性多功能可调制超表面阵列整体结构包括上表面金属周期阵列、柔性介质基板和下表面金属周期阵列，其中所述的上表面金属周期阵列及下表面金属周期阵列均由若干个呈二维周期阵列排布的超表面金属单元(metasurface element,简称me)组成。通过柔性介质基板，所述的柔性多功能时间调制超表面反射器可以方便地与不同器件的表面共形。
9.其中，所述的上表面金属周期阵列或下表面金属周期阵列的超表面金属单元，组成金属周期阵列被一体化印刷在可弯曲的超薄柔性介质基板上，并且相邻的超表面金属单元彼此电气连接，可允许电流通过用于整体调控。其中：每一列超表面金属单元串联连接并分别汇总连接到第一控制接口的(+)和(-)电极；每一行超表面金属单元也串联连接并分别汇总连接到第二控制接口的(+)和(-)电极。第一控制接口和第二控制接口控制的超表面金属单元极化状态相互独立并且彼此正交。因此，它们可以由fpga控制电路独立地实时编码和驱动。
10.现场可编程门阵列(fpga)时间调制控制系统主要包括上位机和fpga控制器。上位机通过以太网与fpga控制器进行物理和信号连接，用于传输二进制编码指令。fpga控制器的输出端包含两对控制接口，其中一对控制接口通过电线将偏置电压加载到所述第一控制接口的正(+)和负(-)电极，用于控制柔性多功能时间调制超表面反射器在y极化下的电磁切换特性，进而实时操控y极化入射的电磁波。fpga控制器另一对控制接口则通过电线将偏置电压加载到所述第二控制接口的正(+)和负(-)电极，用于控制柔性多功能时间调制超表面反射器在x极化下的电磁切换特性，进而实时操控x极化入射的电磁波。柔性多功能时间调制超表面反射器的第一、第二控制接口可以被fpga控制器同时和独立地编码控制，进而可以实现全极化电磁切换编码和正交极化控制编码的多种功能。
11.所述的反射式柔性多功能可调制超表面阵列(fmmma)结构包括若干个呈周期性紧密排列的单元结构，每个周期单元结构主要包括两层金属层、一层介质层和连接两层金属层的金属化过孔以及两个pin二极管。金属图案为四臂螺旋结构，由四条盘旋的弯曲金属条带组成，并由四个直径为0.2mm的金属化通孔连接。两个pin二极管被分别焊接在超表面单
元上下表面的中心，用于分别连接垂直和水平方向的螺旋金属条带。螺旋线结构增加了金属条带的等效谐振长度，使单元结构更加紧凑，可以实现单元小型化，提高角度稳定性。每一条螺旋线可由其中一条弯曲线绕单元中心旋转90
°
、180
°
、270
°
得到，因此整个单元结构具有极好的旋转对称性，可以实现很好的极化不敏感特性。
12.金属图案被设计在一个相对介电常数为2.2和厚度为0.25mm的薄的柔性介质基板上。该薄的介质基板具有良好的柔韧性和弯曲度，可以随意实现不同形状的曲面共形。
13.所述的集成在上表面和下表面金属层上的两个pin二极管分别连接两对相互垂直的金属条带。通过分别控制每层上pin二极管的偏置电压，可以独立地操控两个正交极化的电磁波。因此，通过在水平和垂直方向上同时或独立地切换pin二极管的通/断状态，可以获得两种不同的电磁波操控功能，包括全极化电磁切换和正交极化控制。此外，每个单元结构中仅使用两个pin二极管来控制极化，这大大减少了集总元件的数量，降低了制造难度，并节约了成本。
14.所述的柔性多功能时间调制超表面反射器中，两对第一控制接口、第二控制接口被分别设计在反射式柔性多功能可调制超表面阵列上下表面的边缘，以连接所有馈线单元进而进行整体调控。每一列超表面金属单元串联连接并分别汇总连接到第一控制接口的(+)和(-)电极；每一行超表面金属单元也串联连接并分别汇总连接到第二控制接口的(+)和(-)电极。
15.两对接口分别连接沿垂直方向和水平方向排布的pin二极管，它们彼此隔离，可以被外部激励同时或独立的控制，进而可以对两个正交极化的入射电磁波进行独立地调控。并且单元结构本身被用作pin二极管的偏置馈线，减少了额外的馈电网络，避免了附加馈电网络对超表面整体性能的负面影响，简化了系统调节的复杂性，更有利于共形应用。
16.对于本发明的柔性多功能时间调制超表面反射器的控制方法，每个超表面单元在垂直和水平两个极化方向分别包含“0”和“1”数字状态，且数字状态独立可调，具有双比特编码功能。极化编码状态“ij”(i＝0，1；j＝0，1)分别表示两个pin二极管在两个正交极化方向上的工作状态。二进制位0表示pin二极管无偏置的断开状态，二进制位1表示pin二极管正向偏置的导通状态。使用fpga控制电路同时或独立的动态切换超表面金属单元的编码状态，可以实现对垂直和水平极化的电磁波进行同时或独立的编码调控。
17.本发明进一步设计了一种传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器(transmission/reflection conformal multifunctional time-modulated metasurface reflector,简称t/r-cmtmmr)，具体的是将柔性多功能时间调制超表面反射器(fmtmmr)共形在圆柱表面，圆柱共形的多功能时间调制超表面反射器对不同入射方向的电磁波在空间内都表现为垂直入射的特性，因此可以实现在宽角域范围内的散射特性调控。由于镜像原理，相比于仅在垂直入射方向有效的传统平面超表面反射器更具优势。
18.具体而言，所述的一种传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器(t/r-cmtmmr)，为传输/反射型，当共形多功能时间调制超表面反射器表现为传输特性时，其入射电磁波能量不会被超表面反射器自身谐振耗散掉，而是大部分能量被传输到对面，因此其后向散射特性表现为低散射状态。当共形多功能时间调制超表面反射器切换到表现反射特性时，其后向散射特性表现为高散射状态，因此通过偏置电压控制，可以实现在低散射和高散射两个相反的状态下切换；
19.而传统的时间调制超表面反射器都为吸波/反射型，当超表面反射器表现为吸波特性时，其入射电磁波能量被超表面反射器自身谐振耗散掉，因此其后向散射特性同样表现为低散射状态。但是吸波/反射型超表面反射器结构包含有源阻抗层，介质层和金属导体背板多层结构，整体结构厚度较大，强度高，柔韧性差，难以实现曲面共形；
20.而本发明的传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器(t/r-cmtmmr)，仅有一层结构，其厚度大小可控，可以被设计在极薄的柔性介质基板上，能够实现极好的柔韧性和弯曲度，易于曲面共形。
21.为实现上述在宽角域范围内的谐波生成方法，本发明利用fpga控制系统产生时间调制波形，控制共形超表面对不同方向入射的lfm信号进行调制，以实现宽角域谐波调控。
22.具体而言，一种基于传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器(t/r-cmtmmr)的谐波生成方法，步骤如下：
23.步骤一：传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器设计
24.将柔性多功能时间调制超表面反射器(fmtmmr)共形在圆柱表面上，fpga时间调制控制系统两对控制接口，分别与第一控制接口的(+)和(-)电极和第二控制接口的(+)和(-)电极相连接。fpga时间调制控制系统通过输出不同的偏置电压，可实现电磁调控。
25.步骤二：基于传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器的时间调制模型建立
26.本发明的传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器(t/r-cmtmmr)具有宽带可切换电磁特性。通过改变加载在其阵列两端的偏置电压，可以在两种相反的散射状态下工作。因此，根据传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器本身在不同编码状态下表现的电磁反射特性，可以建立时间调制模型。
27.其中，在通/断状态下，反射系数差值大于10db的频率范围被视为工作带宽的测量标准。根据传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器的可切换反射特性，建立了对应于反射系数的“1-x”幅度调制模型。当传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器切换到具有高散射的反射状态时，振幅系数归一化为“1”。当传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器切换到具有低散射的反射状态时，振幅系数归一化为“x”。振幅系数“x”与反射系数差值之间的关系δr可通过以下公式计算：
28.x＝10
δr/20
29.这里，反射系数差δr＝r1-r2。其中r1表示低散射状态下的传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器反射系数，r2表示高散射状态下传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器的反射系数。
30.传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器利用时变编码序列调制其反射系数，最终作用于入射信号。
31.步骤三：基于传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器的多谐波生成
32.对于多谐波生成，周期编码调制波形被应用于传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器，其调制信号频谱包含一系列离散谐波频率分量，振幅包络服从sinc函数分布。当载频为f0的入射信号入射到时间调制的传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器上后，入射信号被传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器以切换速率为fs周期调制。经过传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器调制后，调制回波信号的频谱
不再是中心频率f0处的单个脉冲，而是包含多个频率分量f0+nfs的一系列离散的谐波分布，幅度包络服从sinc函数分布。谐波分量的幅度受振幅系数和调制占空比的影响，谐波分量位置则调制参数频率影响，调制频率fs越大，相邻谐波分量之间的间距越大。通过改变调制波形的频率、占空比可以灵活的调控谐波分布。
33.本发明的有益效果在于：
34.(1)柔性多功能时间调制超表面反射器被设计在薄的柔性介质基板上，具有很好的柔韧性和弯曲度。并且该超表面具有很好的角度稳定性和极化不敏感性。单元结构被设计为彼此电连接，用于实现对pin二极管的串联馈电，单元本身被用作pin二极管的偏置馈线，避免了额外的馈电网络对有源超表面带来的负面影响。因此可以方便地实现曲面共形，并且其电磁特性不发生改变。
35.(2)在传统时间调制超表面的设计中，极化信息被忽略。大多数时间调制超表面只能在特定的单极化情况下工作，导致实现复杂电磁功能和多信息操作的能力显著降低。本发明具有多个独立控制接口，因此可以在单个时间调制超表面中获得多种不同的操控功能。当同时驱动两对控制接口时，柔性共形多功能时间调制超表面反射器表现为极化不敏感的电磁开关功能。它可以同时操纵所有极化入射的电磁波。当两对控制接口由两个单独的时间编码序列控制时，te和tm极化电磁波可以被独立的编程调控。两个极化通道可以被独立地控制或分时编码，可用于扩展更广泛和更具吸引力的应用。
36.(3)传统的时间调制超表面都是平面结构形式，由于镜像作用原理，其对于电磁波的调制只有在垂直入射方向才有效。本发明提出了一种共形时间调制超表面来调制不同方向发射的入射信号。它具有在宽角域范围内操纵入射信号的独特优势，可用于目标宽角域单站rcs调节。
【附图说明】
37.图1是本发明提出的反射式柔性多功能可调制超表面阵列的三维拓扑结构。
38.图2是本发明设计的柔性多功能可调制超表面反射器示意图。
39.图3a-d是本发明提出的传输/反射型的共形多功能可调制超表面反射器在不同入射角和不同极化下测量的四种工作状态的反射系数，其中图3a为“00”状态，图3b为“11”状态，图3c为“01”状态，图3b为“10”状态。
40.图4是本发明提出的传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器的示意图，具有正交极化电磁波的实时和独立控制以及广角域入射信号调制能力。
41.图5是本发明建立的传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器周期时间调制模型。
42.图6是单频入射信号和回波信号频谱。
43.图7是传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器实测场景示意图。
44.图8a、b是测量的lfm回波信号的时域结果，其中图8a为未调制回波信号，图8b为调制后回波信号。
45.图9a、b是测量的lfm回波信号频谱分布结果，其中图9a为未调制回波信号频谱分布，图9b为调制后回波信号频谱分布。
【具体实施方式】
46.为了更好地理解本发明的方法，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
47.本发明设计并制作了一种柔性多功能时间调制超表面反射器。为了适用于曲面共形应用，建立具有极化控制能力的柔性共形多功能时间调制超表面反射器，首先设计了一种能够独立调控两个正交极化电磁波的柔性多功能可切换超表面阵列。图1描述了本发明所提出的反射式柔性多功能可调制超表面阵列的三维拓扑结构。
48.反射式柔性多功能可调制超表面阵列结构包括若干个呈周期性紧密排列的超表面金属单元结构，每个超表面金属单元结构主要包括一层柔性介质层1、两层金属层2和连接两层金属层的金属化过孔3以及两个pin二极管4。
49.金属图案为四臂螺旋结构，由四条盘旋的弯曲金属条带组成，并由四个直径为0.2mm的金属化通孔连接。两个pin二极管被分别焊接在反射式柔性多功能可切换超表面单元上下表面的中心，用于分别连接垂直和水平方向的螺旋金属条带。螺旋线结构增加了金属条带的等效谐振长度，使单元结构更加紧凑，可以实现单元小型化，提高角度稳定性。小型化单元尺寸可达到0.12λ0×
0.12λ0×
0.005λ0(λ0为中心频率处对应的波长尺寸)。每一条螺旋线可由其中一条弯曲线绕单元中心旋转90
°
、180
°
、270
°
得到，因此整个单元结构具有极好的旋转对称性，可以实现很好的极化不敏感特性。
50.两个pin二极管集成在上表面和下表面的金属层上，用于分别连接两对相互垂直的金属条带。通过分别控制每层上pin二极管的偏置电压，可以独立地操控两个正交极化的电磁波。因此，通过在水平和垂直方向上同时或独立地切换pin二极管的通/断状态，可以获得两种不同的电磁波操控功能，包括全极化电磁切换和正交极化控制。此外，每个单元结构中仅使用两个pin二极管来控制极化，这大大减少了集总元件的数量，降低了制造难度，并节约了成本。
51.利用cst微波工作室软件设计所提出的反射式柔性多功能可切换超表面阵列的几何结构。提出的单元的几何参数：a＝4.1mm,b＝4.1mm,c＝2.98mm,d＝2.98mm,e＝1.6mm,f＝0.34mm,g＝0.3mm,w＝0.22mm,f＝2.98mm,k＝0.34mm,h＝0.25mm。
52.如图2所示，本发明制作的柔性多功能时间调制超表面反射器，包括反射式柔性多功能可调制超表面阵列5、第一控制接口6、第二控制接口7。制作的柔性多功能时间调制超表面反射器总尺寸为263mm
×
263mm，由60
×
60个单元组成。应用表面贴装技术焊接pin二极管。pin二极管采用具有最小封装tslp-2-19的bar64-02型号。
53.柔性多功能时间调制超表面反射器被印刷在一个薄的柔性介质基板上。介质基板采用f4bm聚四氟乙烯高频微波板材，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0007，厚度为0.25mm，具有很好的柔韧性和弯曲度，可以方便地与圆柱表面共形。柔性多功能时间调制超表面反射器通过和圆柱表面共形可以实现对入射电磁波角度不敏感的共形多功能可调制超表面反射器。
54.每一列反射式柔性多功能可切换超表面阵列单元串联连接并分别汇总连接到第一控制接口i的(+)和(-)电极；每一行超表面阵列单元也串联连接并分别汇总连接到第二控制接口ⅱ的(+)和(-)电极。第一控制接口i和第二控制接口ⅱ控制的超表面阵列单元极化状态相互独立并且彼此正交。它们可以由控制电路独立且实时地编码控制。
55.两对接口分别连接沿垂直方向和水平方向排布的pin二极管，它们彼此隔离，可以被外部激励同时或独立的控制，进而可以对两个正交极化的入射电磁波进行独立地调控。并且单元结构本身被用作pin二极管的偏置馈线，减少了额外的馈电网络，避免了附加馈电网络对超表面整体性能的负面影响，简化了系统调节的复杂性，更有利于共形应用。
56.对于本发明的柔性多功能时间调制超表面反射器的控制方法，每个超表面反射器单元在垂直和水平两个极化方向分别包含“0”和“1”数字状态，且数字状态独立可调，具有双比特编码功能。极化编码状态“ij”(i＝0，1；j＝0，1)分别表示两个pin二极管在两个正交极化方向上的工作状态。二进制位0表示pin二极管无偏置的断开状态，二进制位1表示pin二极管正向偏置的导通状态。使用fpga控制电路同时或独立的动态切换超表面单元的编码状态，可以实现对垂直和水平极化的电磁波进行同时或独立的编码调控。因此可以实现四种不同的编码状态“00”、“11”、“01”、“10”。对应实现四种不同的工作状态，即双极化反射、双极化透射、te极化波反射和tm极化波反射，进而可以实现两种不同的调控功能，即全极化电磁切换和正交极化控制。
57.图3a-d是本发明实例中提出的柔性多功能时间调制超表面反射器在不同偏置状态下两种极化和不同入射角下的反射系数随频率变化的曲线。如图3a和b所示，设计的柔性多功能时间超表面反射器对于te和tm极化入射波具有出色的双极化电磁切换功能，可以在低散射和高散射状态之间切换。当两个pin二极管工作在关闭状态时，即“00”状态，所提出的共形多功能超表面表现为宽带的反射器，工作在高散射状态。相反，在“11”状态下，所有极化都处于低散射状态。在垂直入射下，对于te和tm极化入射波，测量的反射系数差值大于10db的工作带宽都为3ghz(8ghz-11ghz)。图3c和d示出了在“01”和“10”编码状态下测量的两个正交极化下的反射系数。te和tm极化入射电磁波可以分别通过控制嵌入在上表面和下表面的两个pin二极管的偏置电压来进行独立地操控。
58.此外，还测量和分析了不同斜入射角下的反射性能，如图3a-d所示。即使在高达45
°
的大入射角下，te和tm极化也具有稳定的频率响应。因此，柔性多功能时间调制超表面反射器可以在宽角度范围内表现出优异的宽带电磁切换功能和极化控制能力。
59.本发明设计的柔性多功能时间调制超表面反射器为传输/反射型，当柔性多功能时间调制超表面反射器表现为传输特性时，其入射电磁波能量不会被超表面反射器自身谐振耗散掉，而是大部分能量被传输到对面，因此其后向散射特性表现为低散射状态。当柔性多功能时间调制超表面反射器切换到表现反射特性时，其后向散射特性表现为高散射状态，因此通过偏置电压控制，可以实现在低散射和高散射两个相反的状态下切换。而传统的时间调制超表面反射器都为吸波/反射型，当时间调制超表面反射器表现为吸波特性时，其入射电磁波能量被超表面反射器自身谐振耗散掉，因此其后向散射特性同样表现为低散射状态。但是吸波/反射型时间调制超表面反射器结构包含有源阻抗层，介质层和金属导体背板多层结构，整体结构厚度较大，强度高，柔韧性差，难以实现曲面共形。而传输/反射型时间调制超表面反射器，仅有一层结构，其厚度大小可控，可以被设计在极薄的柔性介质基板上，能够实现极好的柔韧性和弯曲度，易于曲面共形。
60.本发明设计的柔性多功能时间调制超表面反射器可以被容易的共形在圆柱表面，圆柱共形的柔性多功能时间调制超表面反射器对不同入射方向的电磁波在空间内都表现为垂直入射的特性，因此可以实现在宽角域范围内的散射特性调控。由于镜像原理，相比于
仅在垂直入射方向有效的传统平面超表面反射器更具优势。
61.为实现宽角域范围谐波生成方法，利用共形时间调制超表面反射器实现谐波生成过程，本发明首先提出了一种共形多功能时间调制超表面反射器，利用fpga时间调制控制系统产生时间调制波形，控制共形时间调制超表面反射器对不同方向入射的lfm信号进行调制，以实现宽角域谐波调控。
62.本发明涉及传输/反射型共形时间调制超表面反射器设计、基于传输/反射型共形时间调制超表面反射器的时间调制模型建立、基于传输/反射型共形时间调制超表面反射器的多谐波生成三个具体步骤，具体实施如下：
63.步骤一：传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器设计
64.对于共形多功能可调制超表面反射器结构，需要设计小的单元尺寸以获得良好的电磁特性。因此，本发明首先设计了一种具有良好角度稳定性的小型化多功能可调制超表面反射器。
65.如图4所示，传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器将柔性多功能时间调制超表面反射器(fmtmmr)共形在圆柱表面上。fpga时间调制控制系统包含两对控制接口，分别与共形多功能时间调制超表面反射器的第一控制接口的(+)和(-)电极和第二控制接口的(+)和(-)电极相连接。fpga时间调制控制系统通过输出不同的偏置电压，可实现电磁调控。
66.通过偏置电压控制其pin二极管在断开/导通状态切换，使共形多功能可调制超表面反射器可以在两种相反的反射状态下切换，即低散射状态和高散射状态。
67.fpga时间调制控制系统可以产生随时间变化的偏置电压，进而控制共形多功能可切换超表面反射器在不同的时刻表现为不同的反射特性。因此，共形多功能时间调制超表面反射器的反射特性表现为时间的函数，可以对入射信号进行调控。
68.设计的fpga时间调制控制系统主要包括上位机和fpga控制器。首先，上位机生成包含“0”和“1”序列的二进制编码指令，以产生所需的时间调制序列，然后将其发送到fpga控制器。在接收到指令后，fpga控制器生成所需的时变直流偏置电压以驱动pin二极管。关于二进制编码序列，编码“1”对应于pin二极管的正向偏置电压，编码“0”对应于零偏置电压。因此，它们可以使pin二极管工作在导通和断开状态。最后，偏置电压被加载到超表面反射器的正电极和负电极，用于驱动超表面反射器，使其在低散射和高散射状态之间切换。其中，pin二极管的导通状态对应于共形多功能时间调制超表面反射器的低散射状态，而断开状态对应于高散射状态。
69.步骤二：基于传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器的时间调制模型建立
70.本发明设计的传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器具有宽带可切换电磁特性。通过改变偏置电压，它可以在两种相反的散射状态下工作。因此，在图5中建立了关于幅度调制的时间调制模型。在pin二极管通/断状态下，反射系数差值大于10db的频率范围被视为工作带宽的测量标准。根据传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器的可切换反射特性，建立了对应于反射系数的“1-x”幅度调制模型，如图5所示。当传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器切换到具有高散射的反射状态时，振幅系数归一化为“1”。当传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器切换到具有低散射的反射状态时，
振幅系数归一化为“x”。振幅系数“x”与反射系数差值之间的关系δr可通过以下公式计算：
71.x＝10
δr/20
72.这里，反射系数差δr＝r1-r2。其中r1表示低散射状态下的超表面反射系数，r2表示高散射状态下超表面的反射系数。
73.传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器利用时变编码序列调制其反射系数，然后作用于入射信号。周期编码调制波形作用于传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器，其时域响应可表示为：
[0074][0075]
其中tw是高散射状态的编码宽度，ts是编码周期，α＝tw/ts是周期编码调制信号的占空比，n表示周期编码的数量，表示卷积运算。
[0076]
对其进行傅里叶变换，其频谱表示为：
[0077][0078]
其中a0＝(1-x)t
wfs
+x,an＝(1-x)t
wfs
sinc(nt
wfs
),fs＝1/ts为调制频率。
[0079]
上述公式表明，调制信号频谱包含一系列离散谐波频率分量f0+nfs，离散谐波频率分量的位置受调制频率的fs影响，总体的谐波分量振幅包络服从sinc函数分布。
[0080]
步骤三：基于传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器的多谐波生成
[0081]
当入射信号s(t)入射到传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器上时，入射信号被传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器调制，调制回波信号可以表示为：
[0082]
r(t)＝s(t)
·
p(t)
[0083]
经过傅里叶变换后，频谱为通过将周期调制波形频谱和入射信号频谱做卷积操作，可以得到：
[0084][0085]
通过分析上式，可以看出调制回波信号的频谱不再是中心频率处的单个脉冲，而是包含多个频率分量的一组谐波。
[0086]
为了验证其理论的正确性，使用中心频率f0＝10ghz的单频信号作为用于仿真的入射信号。传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器的调制参数为fs＝10mhz，α＝0.6，反射回波信号频谱如图6所示。可以观察到，反射回波信号产生了一系列离散谐波频率分量f0+nfs，多个新生成的离散谐波沿中心载频处向两边扩展，呈对称分布，相邻谐波之间的间隔为fs，随着调制频率fs的增加，相邻谐波峰值之间的距离增加。谐波频率分量的整体幅度包络服从sinc函数分布。
[0087]
为了验证传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器的谐波生成效果，设计并进行了lfm信号回波响应实验，如图7所示。实验中的线性调频(lfm)信号参数为载波频率f0＝10ghz，信号带宽b＝200mhz，脉冲宽度t
p
＝40μs。搭建的lfm信号系统包括信号产生和信号处理系统。信号生成系统由任意波形发生器(awg)、上变频器(uc)和发射天线组成。载波频率f0＝10ghz的线性调频信号通过awg和上变频器产生，然后通过发射天线发射。信号
处理系统包括接收天线、下变频器(dc)模块、中频调节(ifa)模块和数据采集设备。接收器天线接收调制的回波信号。然后通过dc和ifa处理后获得基带信号。最后，信号被保存在数据采集设备中。
[0088]
为了验证传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器对线性调频(lfm)信号的调制效果，进行了调制频率fs＝1mhz、占空比α＝0.4的传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器调制实验。
[0089]
图8a、b中显示了测量的未经传输/反射型的共形多功能时间调制超表面反射器调制和经过传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器调制的回波信号。如图8b所示，在传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器执行周期调制后，lfm信号在快时间内被分成几个部分。
[0090]
回波信号通过正交解调和快时间滤波处理后。图9中显示了未经传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器调制和经过传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器调制的lfm回波信号的测量频谱。从图9b中可以看出，调制回波信号的频谱产生了多个离散谐波分量，这些离散谐波分量分布在原始频带内。
[0091]
从仿真与实测结果中不难看出基于传输/反射型共形多功能时间调制超表面反射器的反射谱具有多谐波效应，与理论分析一致，证明了本发明所提方法的有效性。