一种可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料

本发明属于超材料制备，涉及一种可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料。

背景技术：

1、(1)对电磁波进行任意操纵一直是无线通信、雷达隐身等领域的研究重点。人工电磁超材料，一般是由半波长或亚波长单元周期排布构成，突破了传统天然材料电磁参数不可变的限制，可实现如负磁导率、负介电常数和零折射率等特殊特性。通过合理设计单元结构，可以实现诸如电磁吸波、聚焦透镜、波束扫描等等功能。

2、(2)数字编码超表面是一种新型超表面材料，又称为智能反射表面，通过二进制编码每个单元的相位响应，代替传统的连续的相位变化，具有更强的灵活性。例如，1比特的数字编码超表面，就是将360°的相位中小于180°的用数字“0”表示，大于180°的用数字“1”表示，通过调节二极管的导通和关断来实现所需的相位分布，进而实现不同的功能。当然，将1比特扩展至更高比特，会带来效率上的提升和对电磁波更有效的控制，但同样会带来成本的提高。

3、(3)随着现代高集成度系统的不断发展，无线通信、成像和雷达监测等网络对于设备具备功能可调性的需求越来越高，单一功能的设备无法满足系统集成的需要。电子科技大学长三角研究院(湖州)公布了一种多功能双频编码超表面(电子科技大学长三角研究院(湖州)，多功能双频编码超表面，申请号cn202111169474.5，申请日期2021.10.08)，该超表面由三层金属层和两层介质基板组成，可实现涡旋波束、波束成形和多波束性能；哈尔滨工业大学公布了一种基于pin二极管有源超表面的多角度电磁波(哈尔滨工业大学，基于pin二极管有源超表面的多角度电磁波，申请号202310059097.2，申请日期2023.01.17)，该超表面通过控制pin管的通断实现电磁波束的偏转。上述两种超表面结构，实际上只是实现的1比特的智能反射表面所能实现的功能，并没有和其他功能进行复合。清华大学公布了一种多功能超材料(清华大学，一种多功能超材料，申请号cn202210310594.0，申请日期2022.03.28)，该超表面电磁吸波与辐射制冷功能进行了有效复合，但是由于其所需材料比较复杂，仍存在进一步的提升空间。

技术实现思路

1、本发明针对以上存在的技术问题，基于天线互易原理，设计了一款可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，实现了吸波、漫散射、oam波、波束扫描和多波束的功能，并且在x波段可以同时实现传统反射阵的功能，其剖面高度仅有0.05λ(针对低频频率)，反射阵3db增益带宽达到34.3％，吸波-10db吸收带宽达到28.6％。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，包括三层金属层和两层介质层，中空型贴片单元和十字型高频反射单元是整个结构的顶层金属层，金属地板中间刻蚀缝隙是整个结构的中间金属层，微带馈线和直流偏置线是整个结构的底层金属层，介质层位于两两金属层之间。

4、进一步的，所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，包括中空型贴片单元，十字型高频反射单元，介质基板，金属地板，直流偏置层；所述的直流偏置层包括微带馈线，开关偏置线，pin管，pin管偏置线，射频开关和电阻。

5、进一步的，所述的中空型贴片单元，由4*4中心掏空的贴片单元组成。

6、进一步的，所述的十字型高频反射单元，位于每一个小的中空型贴片单元内部。

7、进一步的，所述的十字型高频反射单元尺寸可调，覆盖360°相位响应。

8、进一步的，所述的中空型贴片单元和十字型高频反射单元均为对称结构。

9、进一步的，所述的金属地板尺寸为39.5mm*39.5mm，并且在中间刻蚀缝隙，用以辐射电磁波。

10、进一步的，刻蚀在金属地板的缝隙位于中心位置，其尺寸为37.7mm*1.76mm。

11、进一步的，所述的微带馈线为50ω微带馈线，50ω微带馈线首先与射频开关相连接，用以调控电磁波的流向，进而分别与电阻和pin管相连接，并通过金属通孔到底，进而实现不同功能的调控。

12、进一步的，所述的直流偏置线主要分为两类，一类是射频开关的直流偏置线，用以调控开关的切换，一类是pin管的直流偏置线，用以调控pin管的状态，实现“0”和“1”的切换。

13、进一步的，所述的介质基板板材为rf35，介电常数为3.55。

14、与已有技术相比，本发明的优点在于：

15、1、首次利用天线互易的思想，集成了吸波功能和数字编码的功能，更加适应日趋复杂的无线通信、成像和雷达监测等网络对于设备具备功能集成化的需求。

16、2、与传统可编码的超材料相比，本发明仅用了三层金属层和两层介质层(含直流偏置层)，剖面高度仅有0.05λ，在如此低的剖面条件下，实现了反射阵3db增益带宽达到34.3％，吸波-10db吸收带宽达到28.6％，这是传统可编码超材料难以达到的。

17、3、本发明将高频反射单元与低频反射单元集成在同一金属层，极大地提升了口径面的利用率，双频段的实现也大大拓展了该超材料可用的领域，如卫星通信等领域等等。

18、4、该超材料实现多种功能，完全是利用单元的结构实现的，不需要任何的特殊涂料，因此具有成本低廉，制作工艺简单的特点。

技术特征：

1.一种可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，包括三层金属层和两层介质层，中空型贴片单元和十字型高频反射单元是整个结构的顶层金属层，金属地板中间刻蚀缝隙是整个结构的中间金属层，微带馈线和直流偏置线是整个结构的底层金属层，介质层位于两两金属层之间。

2.根据权利要求1所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，包括中空型贴片单元，十字型高频反射单元，介质基板，金属地板，直流偏置层；所述的直流偏置层包括微带馈线，开关偏置线，pin管，pin管偏置线，射频开关和电阻。

3.根据权利要求1或2所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，所述的中空型贴片单元，由4*4中心掏空的贴片单元组成。

4.根据权利要求1或2所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，所述的十字型高频反射单元，位于每一个小的中空型贴片单元内部。

5.根据权利要求4所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，所述的十字型高频反射单元尺寸可调，覆盖360°相位响应。

6.根据权利要求1所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，所述的中空型贴片单元和十字型高频反射单元均为对称结构。

7.根据权利要求1或2所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，所述的金属地板尺寸为39.5mm*39.5mm，并且在中间刻蚀缝隙，用以辐射电磁波。

8.根据权利要求1所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，刻蚀在金属地板的缝隙位于中心位置，其尺寸为37.7mm*1.76mm。

9.根据权利要求1或2所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，所述的微带馈线为50ω微带馈线，50ω微带馈线首先与射频开关相连接，用以调控电磁波的流向，进而分别与电阻和pin管相连接，并通过金属通孔到底，进而实现不同功能的调控。

10.根据权利要求2所述的可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，其特征在于，所述的介质基板板材为rf35，介电常数为3.55。

技术总结
本发明公开了一种可实现吸波和数字编码的双频多功能超材料，包括三层金属层和两层介质层，中空型贴片单元和十字型高频反射单元是整个结构的顶层金属层，金属地板中间刻蚀缝隙是整个结构的中间金属层，微带馈线和直流偏置线是整个结构的底层金属层，介质层位于两两金属层之间。本发明首次利用天线互易的思想，集成了吸波功能和数字编码的功能，更加适应日趋复杂的无线通信、成像和雷达监测等网络对于设备具备功能集成化的需求。

技术研发人员：苏一洪,郝新杰,杨雨蕾,林先其,刘皓中,杨歆汨,杨永穆
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15