一种时域超材料制造技术

本发明专利技术公开了一种时域超材料，包括：n个亚波长尺寸的可调单元，n个亚波长尺寸的可调单元依次排列；可调单元从上至下依次包含5层，第一层为由变容二极管串接的两个矩形贴片，第二层为介质基板，第三层为馈电网络层，馈电网络层的正负极通过介质基板内的金属化通孔分别连接变容二极管两端的矩形贴片，第四层为超薄绝缘层，第五层为金属背板。本发明专利技术能够实现调控电磁波的频谱，实现速度隐身，以及用于载波调制构建新框架的通信系统。

【技术实现步骤摘要】
一种时域超材料
本专利技术涉及新型人工电磁材料
，尤其是一种时域超材料。
技术介绍
传统超材料可通过设计其单元特性以及空间排布，控制电磁波的极化、强度、相位等参数，实现电磁能量的偏折、聚焦、吸波、能量杂散等功能，可用于天线、成像、隐身等领域。然而，传统超材料主要关注电磁能量的空域特性，属于互易、非线性器件。自由空间电磁波空域特性的调控技术相对已十分成熟，而时域特性技术研究几乎没有。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种时域超材料，能够实现调控电磁波的频谱，实现速度隐身，以及用于载波调制构建新框架的通信系统。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种时域超材料，包括：n个亚波长尺寸的可调单元，n个亚波长尺寸的可调单元依次排列；可调单元从上至下依次包含5层，第一层为由变容二极管2串接的两个矩形贴片1，第二层为介质基板3，第三层为馈电网络层5，馈电网络层5的正负极通过介质基板3内的金属化通孔4分别连接变容二极管2两端的矩形贴片，第四层为超薄绝缘层6，第五层为金属背板7。优选的，调节可调单元的时域特性实现空间波频谱的调制，调控方式分为时域幅度调制、时域相位调制和时域幅相同调。优选的，时域超材料通过外加偏置电压控制其反射系数Γ，采用控制器件产生时变信号，实现时变反射系数Γ(t)；当入射波Ei(t)入射到该表面时，反射波可表示为Er(t)＝Ei(t)·Γ(t)；采用周期性数字调制方式控制反射系数Γ(t)，假设周期时间为T，一个周期内序列长度为M，每一个码元所占时间为τ＝T/M，则一个周期内的反射系数可表示为：其中，Γm为第m个码元的反射系数；g(t)为周期性脉冲函数，单个周期内可表示为周期性变化的反射系数可采用傅里叶级数表示为：其傅里叶变换为：其中f0＝1/T，为反射系数的重复频率；δ(f)为单位冲激函数；ak为第k阶谐波的傅里叶级数，可表示为：其中，TF为时间因子，UF为单元因子；UF表征单个脉冲g(t)的频谱特性；TF与Γm有关，表征时域编码对频谱的影响；当入射波入射到时域超材料时，入射波与反射系数的乘积得到反射波：Er(t)＝Ei(t)·Γ(t)(7)其频谱可采用卷积的方式表示：可进一步表示为：对于传统器件，反射系数是时不变的，故只存在a0项，不会出现谐波项；而对于时域超材料，由于反射系数是时变的，所以存在高阶傅里叶级数项，因而可产生非线性特性，可调节频谱。优选的，将时域超材料分割成不同的区域，不同的区域采用不同的时间控制序列进行调控，实现空间波频谱和远场方向图的同时调控。本专利技术的有益效果为：本专利技术原理新颖，可采用简单的方式对空间电磁波进行时域上的控制，可用于改变空间波频谱特性；与传统具有非线性特性的自然材料相比，本专利技术是一种动态可调的设计，可通过选取不同编码可对频谱进行多功能的控制，且能量转化效率极高，另外，本专利技术的设计不限于微波频段，可推广到声波、太赫兹、光学等频段；与传统电路上所采用的混频器件相比，传统设计是对电路上导行波的控制，而本专利技术是对空间波的控制，通过对反射相位的调节，实现反射系数在复数域调制，不需要传统的IQ多路调制；与传统反射阵天线、频率选择表面、超材料相比，本专利技术可实现时空同调，不仅可完成传统方向图的调制，还可以进行频谱的调制。附图说明图1为本专利技术的时域超材料模型示意图。图2(a)为本专利技术的时域幅度调控1-bit编码示意图。图2(b)为本专利技术的时域幅度调控1-bit频谱示意图。图2(c)为本专利技术的时域幅度调控2-bit编码示意图。图2(d)为本专利技术的时域幅度调控2-bit频谱示意图。图3(a)为本专利技术的时域相位调控1-bit编码示意图。图3(b)为本专利技术的时域相位调控1-bit频谱示意图。图3(c)为本专利技术的时域相位调控2-bit编码示意图。图3(d)为本专利技术的时域相位调控2-bit频谱示意图。图4(a)为本专利技术时域幅相同调所需要生成的频谱示意图。图4(b)为本专利技术时域幅相同调反射系数的幅相分布示意图。图4(c)为本专利技术时域幅相同调频谱分布示意图。图5(a)为本专利技术的时域超材料结构正视图。图5(b)为本专利技术的时域超材料结构左视图。图5(c)为本专利技术的时域超材料结构示意图。图6(a)为本专利技术不同偏置电压下的反射系数反射幅度仿真结果示意图。图6(b)为本专利技术不同偏置电压下的反射系数反射相位仿真结果示意图。图7为本专利技术的时域超材料测试示意图。图8(a)为本专利技术1-bit实验0阶散射场测试结果示意图。图8(b)为本专利技术1-bit实验+1阶和-1阶散射场测试结果示意图。图8(c)为本专利技术1-bit实验±1阶频率调制时散射场测试结果示意图。图9(a)为本专利技术2-bit实验反射波频谱测试结果示意图。图9(b)为本专利技术2-bit实验+1阶和-1阶散射场测试结果示意图。图10(a)为本专利技术的时域超材料划分为4个区域示意图。图10(b)为本专利技术的时域超材料+1阶散射场测试结果示意图。其中，1、矩形贴片；2、变容二极管；3、介质基板；4、金属化通孔；5、馈电网络；6、超薄绝缘层；7、金属背板。具体实施方式本专利技术所提出的时域超材料示意图如图1所示，由基本单元周期性排列构成。时域超材料可通过外加偏置电压控制其反射系数Γ。采用控制器件(如FPGA)产生时变信号，实现时变反射系数Γ(t)。当入射波Ei(t)入射到该表面时，反射波可表示为Er(t)＝Ei(t)·Γ(t)。因此，可通过时变的反射系数，控制反射波时域特性。本专利技术采用周期性数字调制方式控制反射系数Γ(t)。假设周期时间为T，一个周期内序列长度为M，每一个码元所占时间为τ＝T/M。则一个周期内的反射系数可表示为：其中，Γm为第m个码元的反射系数；g(t)为周期性脉冲函数，单个周期内可表示为周期性变化的反射系数可采用傅里叶级数表示为：其傅里叶变换为：其中f0＝1/T，为反射系数的重复频率；δ(f)为单位冲激函数；ak为第k阶谐波的傅里叶级数，可表示为：其中，TF为时间因子，UF为单元因子。可见，UF表征单个脉冲g(t)的频谱特性；TF与Γm有关，表征时域编码对频谱的影响。因此，通过选取合适的编码序列，可实现对频谱的调控。当入射波入射到时域超材料时，入射波与反射系数的乘积得到反射波：Er(t)＝Ei(t)·Γ(t)(7)其频谱可采用卷积的方式表示：可进一步表示为：对于传统器件，因为反射系数是时不变的，故只存在a0项，不会出现谐波项。而对于时域超材料，由于反射系数是时变的，所以存在高阶傅里叶级数项，因而可产生非线性特性，可调节频谱。本专利技术所提出的时域超材料通过改变反射系数来调节电磁波时域特性。可分为时域幅度调制、时域相位调制、和时域幅相同调。时域幅度调制：如图2(a)所示，选取两种反射幅度分别为0和1的两种状态作为基本码元，形成1-bit调制。当采用周期序列01010101...进行调制时，其频谱如图2(b)所示。可见，除了存在0阶分量，还存在高阶谐波。这正是本专利技术所提出的时域超材料特性。图2(c)为2-bit调制，即选取反射幅度分位为0、1/3、2/3和1这四种状态作为基本码元进行编码，编码序列为00-01-10-11-11-10-01-00-...，其频谱如图2(d)所示，可见，其频谱特性与图2(b)不同之处在于，高阶谐波中，除了±1阶存在，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时域超材料，其特征在于，包括：n个亚波长尺寸的可调单元，n个亚波长尺寸的可调单元依次排列；可调单元从上至下依次包含5层，第一层为由变容二极管(2)串接的两个矩形贴片(1)，第二层为介质基板(3)，第三层为馈电网络层(5)，馈电网络层(5)的正负极通过介质基板(3)内的金属化通孔(4)分别连接变容二极管(2)两端的矩形贴片(1)，第四层为超薄绝缘层(6)，第五层为金属背板(7)。

【技术特征摘要】
1.一种时域超材料，其特征在于，包括：n个亚波长尺寸的可调单元，n个亚波长尺寸的可调单元依次排列；可调单元从上至下依次包含5层，第一层为由变容二极管(2)串接的两个矩形贴片(1)，第二层为介质基板(3)，第三层为馈电网络层(5)，馈电网络层(5)的正负极通过介质基板(3)内的金属化通孔(4)分别连接变容二极管(2)两端的矩形贴片(1)，第四层为超薄绝缘层(6)，第五层为金属背板(7)。2.如权利要求1所述的时域超材料，其特征在于，调节可调单元的时域特性实现空间波频谱的调制，调控方式分为时域幅度调制、时域相位调制和时域幅相同调。3.如权利要求1所述的时域超材料，其特征在于，将时域超材料分割成不同的区域，不同的区域采用不同的时间控制序列进行调控，实现空间波频谱和远场方向图的同时调控。4.如权利要求1所述的时域超材料，其特征在于，时域超材料通过外加偏置电压控制其反射系数Γ，采用控制器件产生时变信号，实现时变反射系数Γ(t)；当入射波Ei(t)入射到该表面时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程强，赵捷，戴俊彦，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32