一种具有宽角域调控的非周期时间调制角反射器及其谐波频谱变换方法

【】本发明涉及超材料电磁调控领域，具体涉及一种具有宽角域调控的非周期时间调制角反射器设计及其谐波频谱变换方法。

背景技术

0、
背景技术：

1、角反射器通常由两块或三块相互垂直的金属板构成，能够在宽角域范围内对入射电磁波形成较强的后向反射特性，被广泛用于目标识别、电子对抗等领域。但是常规角反射器一旦加工完成，其电磁特性就很难改变，无法满足未来在特殊场合及对多功能多标准雷达应用的需求，严重限制了其在未来信息调控领域的应用。

2、电磁超材料由一系列呈周期排列的亚波长单元组成，可以产生自然界材料无法形成的电磁特性。由于其拥有独特的电磁波调制能力，被众多学者广泛的关注和研究。因此，电磁超材料被广泛设计并应用于许多方面，如目标隐身、空间滤波、电磁屏蔽、波束控制等。基于此，关于电磁超材料与角反射器相结合的研究工作也相继被提出。通过将超材料结构代替角反射器的金属面结构，控制反射波的反射方向可以实现rcs增强的效果。而且，通过将极化转换超材料与角反射器相结合，可以设计实现一种用于极化sar校准的新型变极化角反射器结构。虽然通过将电磁超材料应用于角反射器，实现了不同的电磁功能，但是其应用的电磁超材料还主要集中在无源的形式，一旦加工完成，其频率响应无法改变，缺乏调控电磁波的实时性和灵活性。

3、作为电磁超材料研究的热点，有源超表面技术由于具有可重构的能力，能够在外部激励下实现实时操纵电磁波的功能，因而吸引了人们的广泛研究。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。近年来，时间调制超表面被提出，其通过将时间调制作为有源超表面的调制参数，揭示了时间调制可以产生一系列的频率谐波并实现散射信号的谐波频谱变换。同时，数字编码和可编程超表面也得到了广泛的研究。通过利用不同的数字编码波形，可以实现不同的电磁功能，如波束控制和散射操纵等。时域数字编码超表面在无线通信系统中的应用也已经被深入的探索。但是时间调制超表面在雷达目标特征操控方面的应用却很少被研究，而且上述研究的调制方式还主要集中在周期调制，在其他波形调制方面的研究尚还欠缺。尤其是在当前时间调制超表面的设计中，其极化信息往往被忽略，大多数的时间调制超表面只能在特定的单极化状态下工作，导致实现复杂电磁功能和多信息操控的能力显著下降。而且在单站rcs调控方面，当前的时间调制超表面都是平面状态，其只有在垂直正入射方向才具有调控效果，严重限制了其应用。因此，在实际应用中，当前很多影响因素尚未考虑，如宽角域稳定性，极化不敏感性等，这些限制都严重降低了时间调制超表面的适用性，阻碍了其发展。

4、针对当前角反射器和时间调制超表面存在的问题，受启发于角反射器的宽角域稳定性以及时间调制超表面调控的灵活性，通过将角反射器结构和时间调制超表面相结合，实现对入射电磁波的快速且实时地调控，解决传统角反射器在电磁调控方面灵活性和多样性不足的问题；并且通过将时间调制超表面与角反射器相结合，也能有效提高时间调制超表面的宽角域稳定性，可以在宽角度范围内操控后向反射电磁波的谐波频谱分布，进一步拓展时间调制超表面的实际应用能力。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的一个目的是提出了一种基于非周期时间调制超表面的时间调制角反射器，可以实现了对入射电磁波的快速且实时地调控，解决了传统角反射器在电磁调控方面灵活性和多样性不足的问题；通过将时间调制超表面与角反射器相结合，也有效提高了时间调制超表面的宽角域稳定性，可以在宽角度范围内操控后向反射电磁波的谐波频谱分布。

2、本发明的另一个目的是提出了一种在宽角域范围内能够对入射电磁波实现连续的谐波频谱变换方法。在时间调制角反射器设计的基础上，探索了非周期时间调制角反射器对入射电磁波调制的效果，随时间快速动态调谐的时间调制角反射器，可以在宽角域范围内操控回波信号。本发明从信号层面建立了非周期时间调制模型，实现了反射式连续谐波频谱变换的效果。

3、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

4、一种具有宽角域电磁调控的时间调制角反射器，它通过将传统角反射器的一面或多面金属板结构替换成有源可调超表面结构，可以实现对入射电磁波的实时快速动态调控。主要包括有源可调超表面、三面角反射器结构以及与之相匹配的现场可编程门阵列(fpga)时间调制控制系统。

5、所述的时间调制超表面为单一平面结构，主要由有源可调超表面和现场可编程门阵列(fpga)时间调制控制系统所组成。

6、所述的有源可调超表面整体结构包括上表面金属层、介质基板、下表面金属层以及连接上下表面金属层的金属化过孔和焊接在上下表面的两个pin二极管。其中所述的上表面金属层及下表面金属层均由若干个呈二维周期阵列分布的超表面金属单元组成，并且被印刷在介质基板实物上下两面。

7、所述的时间调制超表面包含两对控制接口，两对控制接口可以和fpga时间调制控制系统相连接，可以被fpga时间调制控制系统进行实时编码和驱动。当两对控制接口被同时驱动时，超表面可以实现极化不敏感的电磁切换功能，能够同时操控所有极化的入射电磁波，在实际应用方面具有极好的适用性。

8、所述的三面角反射器结构由两块或三块相互垂直的金属板或金属框架构成，通过将有源可调超表面安装在金属板或金属框架上，能够在大角度范围内对雷达入射信号实现很强的后向反射调控功能。对于空间中沿任意方向入射到角反射器的电磁波，经过两次或三次反射后，都可以沿原来的入射方向反射回去。

9、所述的加载在角反射器上的有源可调超表面，必须具有好的角度稳定性和极化不敏感性，才能在角反射器中发挥出好的电磁调控效果。因此，需要设计一个具有好的角度稳定性和极化不敏感性的有源可调超表面。

10、所述的有源可调超表面中的上表面金属层和下表面金属层采用金属弯折线的形状结构。金属弯折线被印刷在相对介电常数εr＝2.2的介质基板上。金属弯折线结构可以增加金属条带的等效谐振长度，使单元结构更加紧凑，实现单元的小型化，因此可以提高超表面的角度稳定性。金属弯折线结构由四条相同的弯折线组成，被分别印刷在介质基板的两侧，并通过四个金属化过孔进行连通，四条弯折线都可以通过其中一条弯折线分别旋转90°、180°和270°得到。因此设计的单元结构具有好的对称性，可以使超表面结构表现出极好的极化不敏感性。

11、所述的现场可编程门阵列(fpga)时间调制控制系统主要包括上位机和fpga控制器。fpga控制器通过扩展接口和时间调制角反射器进行物理和信号连接。为了能够生成控制时间调制角反射器的时间调制编码序列；首先，上位机生成二进制编码指令，然后通过以太网将其传输给fpga控制器，进而产生控制时间调制角反射器反射系数变化所需的时变直流偏置电压。

12、所述的有源可调超表面中的两个pin二极管被分别集成在介质基板的上下两侧，用于连接水平和垂直的两条金属条带，实现对所有极化的入射电磁进行调控，具有极化不敏感的电磁可切换特性。

13、所述的有源可调超表面由若干个呈二维周期阵列分布的有源可调超表面单元组成，有源可调超表面单元彼此之间电连接，采用串并联结合的方式进行pin二极管的馈电。有源可调超表面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。

14、所述的时间调制角反射器可以实现两种相反的散射状态切换。通过利用fpga时间调制控制系统输出能够控制时间调制角反射器需要的偏置电压时间序列，使时间调制角反射器可以在低散射状态和高散射状态之间快速动态切换。时间调制角反射器具有双比特编码功能，其中二进制编码状态：“0”表示二极管没有偏置的断开状态，“1”表示二极管正向偏置的导通状态。

15、本发明进一步提出了一种在宽角域范围内能够对入射电磁波实现连续的谐波频谱变换方法。具体的是在时间调制角反射器设计的基础上，利用非周期时间调制序列对时间调制角反射器进行控制，随时间快速动态调谐的时间调制角反射器，可以在宽角域范围内操控回波信号，实现宽角域反射式连续谐波频谱变换的效果。

16、为实现上述在宽角域范围内连续的谐波频谱变换方法，本发明利用fpga时间调制控制系统产生非周期时间调制波形，控制时间调制角反射器对不同方向入射的信号进行调制，以实现宽角域谐波调控。并且通过随机编码时间调制，使回波信号产生连续的频谱分布。

17、具体而言，一种基于非周期时间调制角反射器的连续谐波频谱变换方法，步骤如下：

18、步骤一：宽角域时间调制角反射器设计

19、宽角域时间调制角反射器装置主要由有源可调超表面、三面角反射器结构以及与之相匹配的fpga时间调制控制系统所构成。通过将有源可调超表面代替传统角反射器的一面或多面金属板结构，然后由fpga时间调制控制系统进行实时编码和驱动，可以实现对入射电磁波的快速编码调控。它既可以获得实时调控电磁波的能力，又兼具能够在宽角域范围内调控目标单站rcs的优势。

20、fpga时间调制控制系统主要是由上位机和fpga控制器所组成。为了能够生成控制角反射器的时间调制编码序列，首先，上位机生成包含“0”和“1”序列的二进制编码指令，然后通过以太网将其传输给fpga控制器。

21、其次，在接收到编码指令后，fpga控制器产生控制角反射器反射系数变化所需的时变直流偏置电压以驱动pin二极管。在fpga控制器中，关于二进制编码序列，编码“1”对应于pin二极管导通的正向偏置电压，编码“0”对应pin二极管截止的零偏置电压。因此，时变的偏置电压可以使pin二极管在导通和截止状态进行快速切换(切换速率可达百纳妙级)。fpga时间调制控制系统包含一个扩展接口电路，用于连接控制加载有源可调超表面的角反射器。

22、最后，将fpga时间调制控制系统产生的时变偏置电压加载到新型角反射器的正极和负极，用来驱动新型角反射器，使其在低散射和高散射状态之间快速切换。其中，pin二极管的导通状态对应于角反射器的低散射状态，截止状态对应于角反射器的高散射状态。

23、步骤二：基于宽角域时间调制角反射器的非周期时间调制模型建立

24、本发明提出的加载有源可调超表面的新型角反射器具有宽带的电磁调控特性，通过改变加载在两端的偏置电压，可以对反射回波的幅度进行调控，使其在两种相反的散射状态(强散射状态和弱散射状态)下工作。因此，根据提出的新型角反射器的幅度调制特性以及时间调制理论，建立一个关于幅度调制的等效时间调制模型。

25、同时，将新型角反射器在不同偏置状态下的反射系数调制幅度变化差值大于10db的频率范围作为工作带宽的衡量标准，结合时间调制，建立对应的“1-a”幅度调制模型。其中“1”表示新型角反射器在强散射状态时归一化的幅度系数，“a”表示新型角反射器在弱散射状态时的幅度系数。

26、幅度系数“a”与反射系数幅度变化差值δr之间的关系为：

27、a＝10δr/20

28、其中，反射系数幅度变化差值δr＝r1-r2，其中，r1表示在弱散射状态下新型角反射器的反射系数幅度，r2表示在强散射状态下新型角反射器的反射系数幅度。

29、时间调制角反射器通过利用时间函数控制角反射器的反射系数幅度变化，使其表现为随时间变化的电磁切换特性，然后将其作用于入射信号，形成随时间变化的目标回波信号。

30、在时间调制超表面中，基于周期调制的回波信号幅频特性已经被大量研究。本发明借鉴信号处理中非周期调制的思想，通过生成伪随机编码序列调节时间调制角反射器的反射特性，对入射电磁波进行非周期调制，并分析非周期调制对入射电磁波的作用效果。

31、步骤三：基于宽角域时间调制角反射器的连续谐波频谱变换方法

32、对于连续的谐波频谱变换，非周期编码调制波形被应用于宽角域时间调制角反射器，其调制信号频谱包含一系列连续的谐波频率分量，振幅包络服从sinc函数分布。当入射信号照射到时间调制角反射器上后，入射信号被时间调制角反射器调制。假设非周期编码调制受随机编码序列ak∈{1,a}控制，将随机编码矩形脉冲调制序列应用于时间调制角反射器。随机编码调制的频谱是连续的，调制后的回波信号频谱不再是位于中心频率处的单个脉冲，而是包含一系列连续频率分量的谐波频谱包络，其频谱幅度分布仍然服从sinc函数分布。

33、随机编码调制可以实现连续的多普勒调制，在频域中，其频谱能量不再集中在原始中心频率处，而是连续的分布在原始中心频率的两侧，其频谱能量分布服从sinc函数分布。随机调制可以看作是对入射信号进行连续的频谱搬移，与周期调制方法相比，其对入射信号的调制效果不再是生成离散的虚假谐波峰值，而是生成一条连续的条带。

34、本发明的有益效果在于：

35、(1)首次提出了一种非周期时间调制角反射器，实现了对入射电磁波的快速且实时地调控，解决了传统角反射器在电磁调控方面灵活性和多样性不足的问题；通过将时间调制超表面与角反射器相结合，也有效提高了时间调制超表面的宽角域稳定性，可以在宽角度范围内操控后向反射电磁波的谐波频谱分布。

36、(2)利用非周期时间调制角反射器实现了连续的谐波频谱变换，验证了非周期时间调制可以在快时间内产生连续的虚假谐波峰值。相较于目标的机械运动调制，时间调制角反射器的切换速率更快，一般可达到几百纳秒量级，可以实现对雷达回波的脉内调控，在距离向形成不同的目标特征变换效果。

37、(3)对比现有具有极化不敏感的电磁调控材料，大多数单元中通过加载多个二极管来实现极化不敏感的电磁特性，而发明设计的有源可调超表面单元，仅包含两个pin二极管，大大简化了结构设计，减少了集总元件的数量，降低了加工难度，并节约了成本。