高效率电磁波频率转换时域超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种高效率电磁波频率转换时域超表面，包括：n个基本单元周期排列，并由同一控制电路生成的信号控制。本发明专利技术的有益效果为：(1)本发明专利技术原理简单，只需要改变控制信号的频率以及波形，就可以实现电磁波的频率转换；(2)本发明专利技术利用多个基本单元组成阵列，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元反射系数所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；(3)与传统设计相比，本发明专利技术基本单元拥有大相移范围与低传输损耗等特点，因此具有超高的转换效率以及优异的干扰谐波抑制能力。

Time domain hypersurface with high efficiency electromagnetic frequency conversion

【技术实现步骤摘要】
高效率电磁波频率转换时域超表面
本专利技术涉及人工电磁材料
，尤其是一种高效率电磁波频率转换时域超表面。
技术介绍
新型人工电磁表面，又名超表面，可通过设计其单元特性以及空间排布，控制电磁波的幅度、相位、极化、波束、轨道角动量等参数，实现电磁能量的偏折、聚焦、吸波等功能，可用于天线、成像等领域。通过引入可调技术，可以设计出能够实时控制电磁波各参数的可调超表面。传统可调超表面的控制信号都是静态的，或者以非常低的频率在改变，因此是一个线性器件，只能对电磁波的一些线性特征进行调控，如幅度、相位、极化等。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种高效率电磁波频率转换时域超表面，能够对自由空间中的电磁波频率进行高效地转化。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种高效率电磁波频率转换时域超表面，包括：n个基本单元周期排列，并由同一控制电路生成的信号控制。优选的，基本单元包括顶层结构、介质基板与底层结构；其中顶层结构包括金属图案、变容二极管、贴片电容与馈电网格，其中变容二极管与贴片电容分别跨接在不同的金属图案之间，馈电网络则连接在金属图案的一侧用于加载控制信号至变容二极管两端；底层结构包括金属背板；三层结构通过多排金属通孔相连。优选的，控制电路生成的模拟电压，通过馈电网络加载至基本单元上的变容二极管两端，改变其等效电容，进而改变单元的电磁特性，具体为在指定的频点上，电磁波后向反射相位变化超过2.5π，反射幅度波动小于3.5dB。优选的，当时域超表面经电磁波照射时，通过高速动态变化其反射特性，使电磁波产生新的频率分量，通过测量控制电压与超表面反射相位与幅度的映射关系，设计出使超表面反射相位连续线性变化的控制波形，进而极大提高电磁波某个新频率处的能量占比，实现高效率的频率转换。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术原理简单，只需要改变控制信号的频率以及波形，就可以实现电磁波的频率转换；(2)本专利技术利用多个基本单元组成阵列，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元反射系数所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；(3)与传统设计相比，本专利技术基本单元拥有大相移范围与低传输损耗等特点，因此具有超高的转换效率以及优异的干扰谐波抑制能力。附图说明图1为本专利技术的时域超表面示意图。图2为本专利技术的时域超表面反射系数相位波形在不同斜率p条件下，反射波各阶谐波计算结果示意图。图3(a)为本专利技术的时域超表面基本单元示意图。图3(b)为本专利技术的时域超表面基本单元示意图。图3(c)为本专利技术的时域超表面基本单元反射系数幅度随控制电压变化仿真结果示意图。图3(d)为本专利技术的时域超表面基本单元反射系数相位随控制电压变化仿真结果示意图。图4(a)为本专利技术的时域超表面实物图。图4(b)为本专利技术的时域超表面在不同控制电压下反射系数幅度与相位测试结果示意图。图4(c)为本专利技术的时域超表面加载固定周期与不同斜率p对应的控制信号时，测量的反射波+1阶谐波的幅度归一化结果示意图。图5为本专利技术的时域超表面在固定反射系数相位变化斜率p时，不同控制信号周期T下的反射波频谱分布示意图。具体实施方式如图1所示，一种高效率电磁波频率转换时域超表面，由同一基本单元周期排列而成，并通过馈电网络将多个基本单元组成阵列，类似平面反射阵。其反射系数可通过外部控制信号被实时调控。因此，当超表面被电磁波照射时，可实现对反射波各项特征参数的实时操控。本专利技术原理在于利用外部控制信号使基本单元反射系数相位以具有一定斜率的形式线性周期变化，周期为T。此时，当入射电磁波为单音频率fc时，经超表面反射后的电磁波便会变化为以入射波频率为中心，控制信号周期倒数为谐波频率间隔的混频信号。在不同斜率p条件下，反射波各阶谐波幅相分布计算结果如图2所示，从结果可以看出，当满足p＝2kπ/T时，反射波中将只存在第k阶谐波，频率为fc+k/T，转化效率为100％。根据这一原理，本专利技术可以实现将频率为fc的电磁波转换为频率为fc+k/T的电磁波，且能量利用效率高达100％。为了实现高效率电磁波频率转换，需要时域超表面基本单元具有低损耗与全相位覆盖的反射系数特性。本专利技术所设计基本单元结构如图3(a)和图3(b)所示，主要分为三层：上表面结构、介质基板与下表面结构。其中上表面结构由许多粗细不一的金属矩形长条与跨接其间的变容二极管/贴片电容组成；中间介质基板材质为F4B，厚度5mm；下表面结构为整面金属背板。此外，每个基本单元还包含两排贯穿上下表面的金属通孔。通过优化基本单元的周期、金属矩形长条的尺寸以及介质厚度，最终使得基本单元在指定频带内，幅度上满足低损耗特性并具有大的相位变化范围，结果如图3(c)和图3(d)所示：图3(c)为单元反射幅度随控制电压变化仿真结果图；图3(d)为单元反射相位随控制电压变化仿真结果图。从中可以看出，在4.25GHz处，基本单元反射幅度波动在3dB以内，反射相位变化范围超过2.78π。最终优化后的基本单元尺寸为：Px＝24mm，Py＝12mm，H＝5mm，N＝6.9mm，L＝5.6mm，g＝0.7mm，d＝1.2mm，t＝1.5mm，Φ＝0.4mm。图4(a)所示为本专利技术所提出的高效率电磁波频率转换时域超表面的实物图，图中还包含了馈源喇叭天线与支架。本专利技术共包含8×16个基本单元，并可由同一控制信号操控。在本专利技术中，基本单元反射系数需要通过控制电压来改变，因此反射相位便对应控制电压V。当入射波fc＝4.25GHz正入射至时域超表面时，不同控制电压V下反射系数的幅度与相位测试结果如图4(b)所示，从结果中可以看出，控制电压从0V到21V的过程中，超表面基本单元的反射幅度有低于3.5dB的波动，相位有超过2.5π的变化范围。由图4(b)的结果可以反推出使基本单元反射系数相位线性变化所需的控制信号波形。其中，当控制信号周期T＝10μs时，将不同斜率p对应的控制信号加载至超表面，并测量反射波+1阶谐波的幅度，其归一化结果如图4(c)所示，图中虚线为仿真计算结果。从中可以看出，当斜率p＝2π/T时，反射波+1阶谐波幅度将达到最大值0.9424，即88.81％的能量转化效率。图5所示为本专利技术在固定超表面反射系数相位变化斜率p时，不同控制信号周期T下的反射波频谱分布图。转化频率为+1阶谐波时，p＝2π/T；转化频率为-1阶谐波时，p＝-2π/T。不同控制信号周期T下的频率转化效率与最大干扰谐波抑制比结果总结如表1所示。结果显示，本专利技术对电磁波的频率转换不仅具有很高的转化效率，还有优异的干扰谐波抑制能力。表1时域超表面在不同控制信号周期T下的频率转化效率与最大干扰谐波抑制比汇总结果表由本专利技术进行电磁波频率转换可分为四个步骤：(1)确定所需转换频率f1与工作频率fc之差δf＝f1-fc；(2)取频差模的倒数为控制信号周期T＝1/mod(δf)；(3)当f1<fc时，取斜率p＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高效率电磁波频率转换时域超表面，其特征在于，包括：n个基本单元周期排列，并由同一控制电路生成的信号控制。/n

【技术特征摘要】
1.高效率电磁波频率转换时域超表面，其特征在于，包括：n个基本单元周期排列，并由同一控制电路生成的信号控制。


2.如权利要求1所述的高效率电磁波频率转换时域超表面，其特征在于，基本单元包括顶层结构、介质基板与底层结构；其中顶层结构包括金属图案、变容二极管、贴片电容与馈电网格，其中变容二极管与贴片电容分别跨接在不同的金属图案之间，馈电网络则连接在金属图案的一侧用于加载控制信号至变容二极管两端；底层结构包括金属背板；三层结构通过多排金属通孔相连。


3.如权利要求1所述的高效率电磁波频率转换时域超...

【专利技术属性】
技术研发人员：程强，戴俊彦，杨刘曦，柯俊臣，陈明正，唐万恺，李享，陈茂，吴詹皓，金石，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32