一种多功能的非线性超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种多功能的非线性超表面，包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°，该超表面对垂直于表面入射的电磁波具有强度依赖性反常偏折功能和漫反射功能，且功能切换灵活，设计简便、加工成本低、质量轻，在电磁兼容、电磁能量防护、雷达隐身等领域具有很高的潜在应用价值。

A Multifunctional Nonlinear Supersurface

【技术实现步骤摘要】
一种多功能的非线性超表面
本专利技术属于新型人工电磁表面
,具体涉及一种可应用于电磁兼容、电磁能量防护，雷达隐身的多功能的非线性数字超表面。
技术介绍
新型人工电磁超材料通常由亚波长尺寸的精细单元呈周期性/非周期性排布而成，具有自然界普通媒质所不具备的特异电磁性能，如负折射、后向传播、完美成像、光学幻觉等，因而受到广泛关注。三维超材料的损耗较大、制备难度大、成本高，其实际应用受到很大限制。作为一种平面电磁超材料，超表面凭借极薄的厚度对入射波产生显著的相位突变，加之较小的损耗和制备难度，成为电磁波操控的重要手段之一，已实现了反常偏折波束、涡旋波束、漫反射、全息成像等功能。随着电磁环境的日趋复杂，电磁辐射源不断增多，辐射强度不断增大，电磁波强度在空间上的起伏将引发一系列新的需求，如电磁兼容、电磁防护等。然而，常规的超表面属于线性超表面，由于缺乏空间入射波强度感应机制，其反射相位与入射波强度无关，因而无法对不同强度的电磁波进行区分操控。人们迫切希望获得一类非线性超表面，其反射相位根据入射波强度而改变，从而产生强度依赖性非线性电磁波操控效果。在微波频段，非线性超材料在近二十年来发展迅速，具体应用包括非线性谐振调控、谐波产生、非线性极化旋转等。它们的非线性产生机制源于无源非线性器件(如变容二极管)与谐振单元中聚焦电磁场的直接相互作用，因此对电磁场强度的要求较高，且单元阵列的性能可重构能力不足，功能单一。而且，它们大多为三维结构，单元阵列的加工组装难度较大。具有二维结构的微波非线性超材料出现较晚，典型例子如非线性吸波超表面。但该超表面的局限性在于：第一，作用对象是电磁表面波，而非更普遍存在的空间波；第二，功能是电磁能量吸收，对电磁波损耗大，不具备电磁波操控功能；第三，不具备可重构功能，功能固化。因此，其应用场景受到一定限制。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有问题，提供了一种多功能的非线性超表面，包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°，该超表面对垂直于表面入射的电磁波具有强度依赖性反常偏折功能和漫反射功能，且功能切换灵活，在电磁兼容、电磁能量防护、雷达隐身等领域具有很高的潜在应用价值。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多功能的非线性超表面，包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°。作为本专利技术的一种改进，所述亚波长单元A和亚波长单元B具有相同的结构，包括自上而下依次叠加放置的：顶层金属层、介质层、中间金属层、介质层、电磁波功率检波电路层，所述顶层金属层由两个金属贴片和连接两个金属贴片的变容二极管构成，还包括连接顶层金属层和底层金属的两个竖直金属通孔，所述金属通孔不与中间金属层接触。作为本专利技术的另一种改进，所述亚波长单元A和亚波长单元B各自顶层金属层内的两个金属贴片，大小不一，所述亚波长单元A顶层金属层内的大贴片与亚波长单元B顶层金属层内的大贴片尺寸不相同。作为本专利技术的另一种改进，所述变容二极管的放置方向为x方向，通过改变变容二极管的偏置电压调控所在单元对x极化电磁波的反射相位。作为本专利技术的又一种改进，每个单元中电磁波功率检波电路层内的电路由射频检波集成电路芯片及其外围电路元件构成，所述电磁波功率检波电路根据x极化电磁波的强度，输出直流电压信号，为所在单元顶层金属层内的变容二极管提供偏置电压，使得该单元对x极化波的反射相位根据波强度而变化。作为本专利技术的又一种改进，亚波长单元A和亚波长单元B的总数为16×16个，沿y方向平均分为8组，每组单元电磁波功率检波电路中的使能输入端口连接在一起，并与可编程逻辑门阵列FPGA开发板的一个I/O端口连接。作为本专利技术的更进一步改进，根据可编程逻辑门阵列FPGA开发板上I/O端口输出的数字比特信号分别激活或关闭各组单元电路，x极化电磁波强度越高，被激活单元组与被关闭单元组对x极化波的反射相位差越大。与现有技术相比，本专利技术的有益效果和技术优势：1.在指定频率下，本专利技术中超表面对x极化电磁波可实现非线性强度依赖性反常偏折功能，其中，“偏折波/反射波能量比”随x极化波强度增大而增大，偏折波束角度可由数字信号调控；对y极化电磁波可实现漫反射功能，该功能不随电磁波强度或数字信号变化。2.本专利技术的超表面是首例针对空间波的多功能非线性超表面，潜在应用领域包括电磁兼容、电磁能量防护、雷达隐身等，实际运用性强。3.本专利技术可利用成熟的PCB加工工艺和芯片表贴技术制备，具有加工难度小、成本低廉等优点。4.目前普通超表面缺乏空间入射波强度感应机制，其反射相位与入射波强度无关，属于线性表面，不具备依赖入射波强度变化的波束操控能力，光学频段的非线性超表面还停留在仿真阶段，微波频段的非线性超表面仅针对电磁表面波的能量吸收，且功能单一，不具备灵活可调节能力，应用场景受限，而本专利技术对空间电磁波可实现包括强度依赖性反常波束偏折功能和漫反射在内的多种功能，功能切换方式灵活，使用范围更加广泛。附图说明图1为本专利技术一种多功能的非线性超表面的正面结构示意图；图2为本专利技术中反射型非线性电磁表面上一个单元的结构顶视图和侧视图(单元A和单元B的结构都是如此)；图3为本专利技术实施例1中单元A和单元B的排布规律示意图；图4(a)为本专利技术实施例1中单元A和单元B对x极化电磁波的反射幅度和相位随变容二极管偏置电压变化仿真结果图；图4(b)为本专利技术实施例1中射频功率检波电路的输出直流电压随5.2GHzx极化电磁波功率变化测试结果图；图4(c)为本专利技术实施例1中两种单元反射幅度和相位随单元表面上x极化电磁波功率密度的变化结果；图4(d)为本专利技术实施例1两种单元对y极化电磁波的反射幅度和相位仿真结果图；图5为本专利技术超表面在不同数字信号控制下，随x极化电磁波强度变化的反常偏折功能仿真结果图。其中，图(a)(b)(c)(d)为数字信号序列为00110011的结果图；图(e)(f)(g)(h)为数字信号序列为01010101的结果图；图6为本专利技术实施例中超表面在各种数字信号序列控制下，随5.2GHzx极化电磁波强度变化的反常波束偏折功能，为yz面上的远场方向图测试结果图，其中，图(a)为入射波功率密度为39dBm/m2，序列为“00000000”或“11111111”；图(b)为入射波功率密度为39dBm/m2，数字信号序列为“00110011”；图(c)为入射波功率密度为39dBm/m2，数字信号序列为“01010101”；图(d)为入射波功率密度为37dBm/m2，数字信号序列为“01010101”；图(e)为入射波功率密度为34dBm/m2，数字信号序列为“01010101”；图(f)为入射波功率密度为27dBm/m2，数字信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能的非线性超表面，其特征在于：包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°。

【技术特征摘要】
1.一种多功能的非线性超表面，其特征在于：包括反射型非线性电磁表面和与其相连接的可编程逻辑门阵列FPGA开发板,所述反射型非线性电磁表面包括亚波长单元A和亚波长单元B，两种亚波长单元对x极化波的反射相位随x极化波强度的增大而递减，变化范围大于180°；两种亚波长单元对y极化电磁波的反射相位不随y极化波的强度变化而变化，恒定相差180°。2.根据权利要求1所述的一种多功能的非线性超表面，其特征在于：所述亚波长单元A和亚波长单元B具有相同的结构，包括自上而下依次叠加放置的：顶层金属层、介质层、中间金属层、介质层、电磁波功率检波电路层，所述顶层金属层由两个金属贴片和连接两个金属贴片的变容二极管构成，还包括连接顶层金属层和底层金属的两个竖直金属通孔，所述金属通孔不与中间金属层接触。3.根据权利要求2所述的一种多功能的非线性超表面，其特征在于：所述亚波长单元A和亚波长单元B各自顶层金属层内的两个金属贴片，大小不一，所述亚波长单元A顶层金属层内的大贴片与亚波长单元B顶层金属层内的大贴片尺寸不相同。4.根据权利要求2所...

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