一种可重构超材料基本单元及超表面制造技术

本发明专利技术涉及一种可重构超材料基本单元及超表面，其中基本单元包括依次设置的金属结构层、介质板层、水介质层和金属地，金属结构层包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、第一金属导线和第二金属导线，第一金属导线与第一矩形贴片的侧边框垂直相接，第二金属导线与第二矩形贴片的侧边框垂直相接，第一矩形贴片与第二矩形贴片平行且两端对齐，第一矩形贴片与第二矩形贴片之间通过调控二极管相连接。与现有技术相比，本发明专利技术采用双重调控可重构超材料基本单元，通过改变水介质层的盐度以及二极管的开关模式，实现基本单元对辐射场的反射幅度以及波束偏转角的调控，有利于扩大超表面的波前调制范围。

A kind of basic element and super surface of reconfigurable metamaterial

【技术实现步骤摘要】
一种可重构超材料基本单元及超表面
本专利技术涉及新型人工电磁材料
，尤其是涉及一种可重构超材料基本单元及超表面。
技术介绍
超材料是一种具有独特电磁特性的人工结构，超表面是由超材料衍生而来的，可以看作是具有更显著优势的二维超材料。超材料和超表面因为一些不同于传统材料的新奇性质一直被广泛研究，随着近年来的不断发展，基于超材料或者超表面的波前控制已经是一个热门研究领域，能够调制电磁波始终是设计超材料或超表面的目标。由于斯涅尔定律的推广，进一步增加了人们对波前调制的兴趣，尤其是可编码和数字化的超材料和超表面，为超表面设计开辟了新的思路，可编码超表面能够实现散射场控制、信息操作、成像等多种应用。当前对于超材料或超表面的波前控制，一方面，传统主要是控制媒质的介电常数、磁导率在空间上按照一定规律变化，比如水作为一种丰富的生物相容性材料，已经被用于各种超材料的研究，以移波器、弹性谐振器、负动态密度的超声结构为例，这些水基超材料主要利用了水的动力学特性。此外，基于水的电磁特性：水具有均匀的介电损耗以及高实部的介电常数，目前提出了一种基于水的可调超表面，通过旋转含有水的超表面单元阵列来调节吸收；而由于热变化会影响水的介电常数，因此提出了一种基于水的热可调谐超表面吸收器。同时，水基超材料在生物传感和可变形结构方面也有着广泛的应用；另一方面，可重构技术也被广泛应用于超材料的波前控制研究中，主要通过加载电子器件或使用机械方法来改变超材料的电磁行为，比如利用可变电容、可变电阻及开关等电子器件，通过改变电容值、功耗或电路的通断以实现重构目的，这种方法的加工制备过程比较复杂，难于实现。现有的波前调控研究中，由于结合多种调制方法较为困难，因此通常只使用上述任意的一种调制方法，无法同时调控基本单元反射振幅和波束偏转角，使得超表面的波前调制范围比较小。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有波前双重调控功能的可重构超材料基本单元及超表面，利用水基质盐度以及调控二极管偏置电压的改变，从而实现反射振幅和波束偏转角的双重调制。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可重构超材料基本单元，包括自上而下依次设置的金属结构层、介质板层、水介质层和金属地，所述水介质层的盐度为可变化的，所述金属结构层包括位于介质板层上表面的第一矩形贴片、第二矩形贴片、第一金属导线和第二金属导线，所述第一金属导线与第一矩形贴片的侧边框垂直相接，所述第二金属导线与第二矩形贴片的侧边框垂直相接，所述第一矩形贴片与第二矩形贴片相互平行且两端对齐，所述第一矩形贴片的下边框与第二矩形贴片的上边框之间通过调控二极管相接，所述调控二极管位于金属结构层的中心位置。进一步地，所述水介质层的盐度值包括第一盐度值和第二盐度值。进一步地，所述基本单元的工作状态包括第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态和第四工作状态，所述第一工作状态为水介质层的盐度值为第一盐度值且调控二极管为导通状态；所述第二工作状态为水介质层的盐度值为第一盐度值且调控二极管为截止状态；所述第三工作状态为水介质层的盐度值为第二盐度值且调控二极管为导通状态；所述第四工作状态为水介质层的盐度值为第二盐度值且调控二极管为截止状态。进一步地，所述第一盐度值为0‰，所述第二盐度值为30‰。进一步地，所述调控二极管通过可编程门阵列FPGA控制二极管的偏置电压，使调控二极管为导通或截止。进一步地，所述基本单元的周期长度为9～11mm，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的上、下边框长度均为8.1～8.3mm，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的侧边框宽度均为3.8～4.0mm，所述第一矩形贴片的下边框与第二矩形贴片的上边框之间的垂直距离为0.3～0.5mm，所述介质板层的厚度为0.9～1.1mm，其介电常数为2.35～2.95，损耗角正切为-0.002～0.004，所述水介质层厚度为0.9～1.1mm。进一步地，所述基本单元的周期长度为10mm，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的上、下边框长度均为8.2mm，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片的侧边框宽度均为3.9mm，所述第一矩形贴片的下边框与第二矩形贴片的上边框之间的垂直距离为0.4mm，所述介质板层的厚度为1mm，所述水介质层厚度为1mm。一种可重构超表面，所述超表面包括呈方形矩阵排列的N×N个基本单元，其中，N为非零正整数。本专利技术的工作原理为：通过改变基本单元中水介质层的盐度以及调控二极管的导通/截止状态，使得基本单元在在正入射的线极化电磁波的照射下，能够产生的不同的反射相位响应以及幅度响应，其中，水介质层的盐度变化时，基本单元的共振频率会发生改变，从而实现基本单元反射幅度的调控；利用偏置电压的变化，能够改变调控二极管的导通/截止状态，从而实现对辐射波束偏转角的调制，结合反射幅度和辐射波束偏转角的调控，最终实现基本单元波前双重调控的目的。与现有技术相比，本专利技术通过在基本单元结构中设置可改变盐度值的水介质层以及可调控二极管，通过改变水介质层的盐度以及调控二极管的开关模式，实现对辐射场的反射幅度以及波束偏转角的双重调控，有利于扩大后续超表面的波前调制范围；本专利技术提出的超材料基本单元中，水介质层的盐度变化值和调控二极管的偏置电压均采用可调控方式，只需依靠简单的金属图样和水介质，就能实现在微波频段内易于制备加工的目的。附图说明图1为本专利技术超材料基本单元的正面结构示意图；图2为本专利技术超材料基本单元的横截面结构示意图；图3为实施例中超材料基本单元的立体示意图；图3a为实施例中超表面的俯视图；图3b为实施例中水介质层盐度为0‰时基本单元的相位响应示意图；图3d为实施例中水介质层盐度为30‰时基本单元的相位响应示意图；图3e为实施例中水介质层盐度为0‰时基本单元的幅度响应示意图；图3f为实施例中水介质层盐度为30‰时基本单元的幅度响应示意图；图4a为实施例中二极管均截止时超表面的俯视图；图4b为实施例中二极管均导通时超表面的俯视图；图4c为实施例中开关模式1状态下超表面的俯视图；图4d为实施例中开关模式2状态下超表面的俯视图；图5a为实施例中水介质层盐度为0‰且二极管均截止时超表面的3D远场仿真结果；图5b为实施例中水介质层盐度为0‰且二极管均导通时超表面的3D远场仿真结果；图5c为实施例中水介质层盐度为30‰且二极管均截止时超表面的3D远场仿真结果；图5d为实施例中水介质层盐度为30‰且二极管均导通时超表面的3D远场仿真结果；图5e为实施例中水介质层盐度为0‰且二极管导通/截止时超表面的2D远场仿真结果；图5f为实施例中水介质层盐度为30‰且二极管导通/截止时超表面的2D远场仿真结果；图6a为实施例中水介质层盐度为0‰时的反射率；图6b为实施例中水介质层盐度为0‰时的反射率；图7a为实施例中开关模式1状态下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可重构超材料基本单元，其特征在于，包括自上而下依次设置的金属结构层(1)、介质板层(3)、水介质层(4)和金属地(5)，所述水介质层(4)的盐度为可变化的，所述金属结构层(1)包括位于介质板层(3)上表面的第一矩形贴片(11)、第二矩形贴片(12)、第一金属导线(13)和第二金属导线(14)，所述第一金属导线(13)与第一矩形贴片(11)的侧边框垂直相接，所述第二金属导线(14)与第二矩形贴片(12)的侧边框垂直相接，所述第一矩形贴片(11)与第二矩形贴片(12)相互平行且两端对齐，所述第一矩形贴片(11)的下边框与第二矩形贴片(12)的上边框之间通过调控二极管(2)相接，所述调控二极管(2)位于金属结构层(1)的中心位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种可重构超材料基本单元，其特征在于，包括自上而下依次设置的金属结构层(1)、介质板层(3)、水介质层(4)和金属地(5)，所述水介质层(4)的盐度为可变化的，所述金属结构层(1)包括位于介质板层(3)上表面的第一矩形贴片(11)、第二矩形贴片(12)、第一金属导线(13)和第二金属导线(14)，所述第一金属导线(13)与第一矩形贴片(11)的侧边框垂直相接，所述第二金属导线(14)与第二矩形贴片(12)的侧边框垂直相接，所述第一矩形贴片(11)与第二矩形贴片(12)相互平行且两端对齐，所述第一矩形贴片(11)的下边框与第二矩形贴片(12)的上边框之间通过调控二极管(2)相接，所述调控二极管(2)位于金属结构层(1)的中心位置。


2.根据权利要求1所述的一种可重构超材料基本单元，其特征在于，所述水介质层(4)的盐度值包括第一盐度值和第二盐度值。


3.根据权利要求2所述的一种可重构超材料基本单元，其特征在于，所述基本单元的工作状态包括第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态和第四工作状态，所述第一工作状态为水介质层(4)的盐度值为第一盐度值且调控二极管(2)为导通状态；所述第二工作状态为水介质层(4)的盐度值为第一盐度值且调控二极管(2)为截止状态；所述第三工作状态为水介质层(4)的盐度值为第二盐度值且调控二极管(2)为导通状态；所述第四工作状态为水介质层(4)的盐度值为第二盐度值且调控二极管(2)为截止状态。


4.根据权利要求2所述的一种可重构超材料基本单元，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈磊，阮颖，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：上海;31