一种一比特光控数字式超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种一比特光控数字式超表面，包括数字式反射型人工电磁表面、与反射型人工电磁表面连接的硅光电池，数字式反射型人工电磁表面由阵列排布的数字单元组成，每个数字单元包括介质基板、位于介质基板下侧的金属地、设置在介质基板上侧的两个金属贴片和设置在两个金属贴片之间并连接二者的变容二极管，金属贴片上下两端均设置有第三电压偏置线。用数码“0”和“1”表示数字单元的两种相位状态，构成一比特数字式超表面。控制照射光的强度，可以远程调控一比特光控数字式超表面的辐射波束，以实现不同的功能。本发明专利技术具有设计简便、加工成本低、尺寸小、质量轻等优点，在高性能天线、减小雷达背向散射等方面都有重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种一比特光控数字式超表面
本专利技术属于新型人工电磁材料领域，涉及一种一比特光控数字式超表面。
技术介绍
新型人工电磁材料是由周期性或非周期性亚波长人工单元组成，具有许多自然界中不存在的电磁特性，如负折射、后向传播、完美成像、光学幻觉、隐形遮蔽等。在过去的几十年中，电磁超材料受到了广泛的关注和研究。三维超材料利用空间相位累积的设计方法来控制电磁波的波前，随着频率的增加，损耗大、成本高、制造难度大，在毫米波、太赫兹甚至更高频段的实际应用受到限制。近几年来已经提出了一类新型超薄超材料，称为超表面，可以改善三维超材料的这些不足。不同于基于等效媒质理论的超材料，用数字比特位描述的数字超材料于2014年被提出，其核心设计思想是：类似于数字信号处理的方法，引入二进制数码来量化相位响应在0到2π之间的不同数字单元。N比特超表面需要2N个离散相位来表征超表面。例如，1比特超表面有2个离散的相位状态，对应于具有180°相位差的两个数码“0”和“1”。使用不同的空间或频率编码序列，可以很容易地实现所需的电磁波特性，如调控远场辐射、散射、极化状态和波矢模式等。通过在特定数字单元上加载二极管、电磁铁、微机电系统等可调设备，便可实现可重构数字超表面。当外加偏置电压改变时，对应数字单元的辐射的幅度和相位响应也发生改变，从而达到实时控制的效果。然而电控需要外部电源和一系列连接线，这会增加整个系统的复杂度，并可能导致不可预知的串扰。光可在空间自由传播而不需要连接线，因此，可以使用不同强度的光远程照射PIN硅光电池，来改变由PIN硅光电池提供的光伏电压。与现有的电控方法相比，光控的方法为调控电磁波提供了更多的便利。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种降低了系统的复杂度和串扰、设计简便、加工成本低、质量轻的一比特光控数字式超表面。技术方案：本专利技术的一比特光控数字式超表面，包括数字式反射型人工电磁表面、与所述反射型人工电磁表面连接的硅光电池，所述数字式反射型人工电磁表面由阵列排布的数字单元组成，每个数字单元包括介质基板、位于所述介质基板下侧的金属地、设置在介质基板上侧的两个金属贴片和设置在所述两个金属贴片之间并连接二者的变容二极管，金属贴片上下两端均设置有第三电压偏置线，反射型人工电磁表面的阵列中，同一列的数字单元的金属贴片均通过第三电压偏置线串联在一起。反射型人工电磁表面的数字单元排布的阵列划分为多个尺寸相同的超级子单元，每个超级子单元均包括n×n个正方形排列的数字单元，其中n为超级子单元中数字单元的列数和行数。硅光电池的正极通过第一电压偏置线与需要偏置电压的超级子单元中数字单元的一个第三电压偏置线连接，负极通过第二电压偏置线与需要偏置电压的超级子单元中数字单元的另一个第三电压偏置线连接。进一步的，本专利技术中，所述硅光电池设置在介质材料上，所述介质材料与数字式反射型人工电磁表面中数字单元的介质基板连为一体。进一步的，本专利技术中，所述硅光电池为PIN硅光电池。进一步的，本专利技术中，所述硅光电池为多个，且多个硅光电池串联在一起。进一步的，本专利技术中，所述硅光电池为变容二极管提供偏置电压。进一步的，本专利技术中，所述数字单元中的两个金属贴片对称设置，且尺寸相同。进一步的，本专利技术中，所述金属贴片为长方形。本专利技术的一种实施方式中，一比特光控数字式超表面由数字式反射型人工电磁超表面和PIN硅光电池串联阵列组成。其中，数字式反射型超表面由周期性排布的数字单元和两根电压偏置线组成，每个数字单元顶层贴片的缝隙中集成了一个变容二极管，超表面的左侧是一排PIN硅光电池串联阵列，数字式反射型人工电磁表面通过两根电压偏置线分别连接在PIN硅光电池串联阵列的正极和负极上，PIN硅光电池串联阵列为变容二极管提供的偏置电压可由照射光强调控。进一步的，在工作频段内，控制光照强度，数字单元可呈现相位差约为180°的两种不同状态，用数码“0”和“1”表示。进一步的，数字单元的背面是金属地，正面是两个对称的金属结构，缝隙中集成了的一个变容二极管，两层金属结构中间是基底。进一步的，所述的一比特光控数字式超表面对数字单元进行整列控制，不同的光强照射时可实现不同的功能。光照强度EV＝0lx时，编码序列为“000000”，反射波为一个主波束；光照强度EV＝100lx时，编码序列为“010101”，反射波为两个主波束。本专利技术由PIN硅光电池串联阵列，两根电压偏置线以及周期性排布的数字单元组成，每个数字单元中集成了一个变容二极管。当不同强度的光照射时，PIN硅光电池串联阵列提供不同的偏置电压，选取数字单元相位差约为180°的两种状态，分别用数码“0”和“1”表示，构成一比特数字式超表面。本专利技术解决了现有数字式超表面控制方式单一的不足，且与现有电控的方法相比，光控的方法降低了系统的复杂度和串扰、设计简便、加工成本低、尺寸小、质量轻，具有重要的应用前景。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：现有的电调控数字式超表面需要通过实际导线连接在控制电路模块，如：FPGA，单片机，的电压输出引脚上，且需要通过电脑并配合相应驱动程序来控制引脚电压的输出。控制电路麻烦，需要配合软件才能工作，技术要求高。由于电控数字式超表面和电压输出引脚间连接了实际导线，因此电控数字式超表面不宜被远程控制，不便移动，并且导线容易造成直流与射频信号间的串扰，会影响数字式超表面的实际性能。本专利技术构建了一种光调控的数字式超表面，与现有电调控的数字式超表面相比，光调控数字式超表面可以被照射光远程控制，无需连接导线和FPGA控制电路，大大降低了系统的设计和实现复杂度，并且避免了连接导线带来的直流与射频信号间的串扰问题。本专利技术的一比特光控数字式超表面具有宽带特性，数字单元间加载了变容二极管，它的容值可以随着外部光照强度的变化连续可调，可在较宽的频带范围内实现180°相位差。本专利技术的一比特光控数字式超表面设计简便、加工成本低，数字单元的尺寸小，有良好的通用性，通过改变数字单元结构的尺寸便可设计在不同工作频点，易于推广应用。附图说明图1(a)为本专利技术实施例中一比特光控反射式数字超表面和光源的结构图，图1(b)为本专利技术实施例中由6×6个数字单元组成的一个超级子单元；图2是本专利技术实施例中一比特光控数字式超表面用数码“0”或“1”表示的数字单元的结构示意图，数字单元缝隙中集成了一个变容二极管；图3(a)是本专利技术实施例中PIN硅光电池产生的电压VR随光照强度EV的变化曲线；图3(b)是专利技术实施例中数字单元在变容二极管提供不同电容值CT时反射相位随频率变化的仿真曲线；图4是本专利技术实施例中数字单元实现“0”状态和“1”状态时反射幅度和相位随频率变化的仿真曲线；图5(a)是本专利技术实施例中一比特光控数字式超表面在4.02GHz，编码序列为“000000”时得到的反射波束仿真结果示意图，图5(b)是本专利技术实施例中一比特光控数字式超表面在4.02GHz，编码序列为“010101”时得到的反射波束仿真结果示意图；图6(a)是本专利技术实施例中一比特光控数字式超表面的加工实物图，变容二极管型号为SMV1405-079LF，PIN硅光电池型号为BPW-34-S，图6(b)是50个白色LED阵列光源；图7(a)为本专利技术实施例中一比特光控数字式超表面在4.02GH本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一比特光控数字式超表面，其特征在于，该超表面包括数字式反射型人工电磁表面(1)、与所述反射型人工电磁表面(1)连接的硅光电池(2)，所述数字式反射型人工电磁表面(1)由阵列排布的数字单元(3)组成，每个数字单元(3)包括介质基板(31)、位于所述介质基板(31)下侧的金属地(32)、设置在介质基板(31)上侧的两个金属贴片(33)和设置在所述两个金属贴片(33)之间并连接二者的变容二极管(34)，金属贴片(33)上下两端均设置有第三电压偏置线(35)，反射型人工电磁表面(1)的阵列中，同一列的数字单元(3)的金属贴片(33)均通过第三电压偏置线(35)串联在一起；反射型人工电磁表面(1)的数字单元(3)排布的阵列划分为多个尺寸相同的超级子单元(4)，每个超级子单元(4)均包括n×n个正方形排列的数字单元(3)，其中n为超级子单元(4)中数字单元(3)的列数和行数；所述硅光电池(2)的正极通过第一电压偏置线(5)与需要偏置电压的超级子单元(4)中数字单元(3)的一个第三电压偏置线(35)连接，负极通过第二电压偏置线(6)与需要偏置电压的超级子单元(4)中数字单元(3)的另一个第三电压偏置线(35)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种一比特光控数字式超表面，其特征在于，该超表面包括数字式反射型人工电磁表面(1)、与所述反射型人工电磁表面(1)连接的硅光电池(2)，所述数字式反射型人工电磁表面(1)由阵列排布的数字单元(3)组成，每个数字单元(3)包括介质基板(31)、位于所述介质基板(31)下侧的金属地(32)、设置在介质基板(31)上侧的两个金属贴片(33)和设置在所述两个金属贴片(33)之间并连接二者的变容二极管(34)，金属贴片(33)上下两端均设置有第三电压偏置线(35)，反射型人工电磁表面(1)的阵列中，同一列的数字单元(3)的金属贴片(33)均通过第三电压偏置线(35)串联在一起；反射型人工电磁表面(1)的数字单元(3)排布的阵列划分为多个尺寸相同的超级子单元(4)，每个超级子单元(4)均包括n×n个正方形排列的数字单元(3)，其中n为超级子单元(4)中数字单元(3)的列数和行数；所述硅光电池(2)的正极通过第一电压偏置线(5)与需要偏置电压的超级子单元(4)中数字单元(3)的一个第三电压偏置线(35...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋卫祥，张信歌，柏林，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32