本发明专利技术公开了一种基本单元，该单元结构包括上表面结构、介质基板与下表面结构，其中，上表面结构包括不同尺寸的矩形金属贴片结构，并且各个矩形之间跨接变容二极管或贴片电容；上表面结构的不同尺寸的矩形金属贴片结构位于介质基板的上表面；下表面结构为整面金属背板，位于介质基板下表面；每个基本单元还包含两排贯穿上下表面的金属通孔，并且金属通孔位于宽度最大的矩形贴片内。本发明专利技术原理简单，只需要控制调制信号的频率以及波形，可以操控电磁波的谐波分布；通过对基本调制波形初始相位及时延的设计，可以同时调控任意双阶谐波，简单有效；本发明专利技术具有设计简单，结果准确等特点，大大简化信息超表面调制波形的设计难度。大大简化信息超表面调制波形的设计难度。大大简化信息超表面调制波形的设计难度。
【技术实现步骤摘要】
一种基本单元、超表面及基于信息超表面的任意双谐波调控方法
[0001]本专利技术属于人工电磁材料
，尤其涉及一种基本单元、超表面及基于信息超表面的任意双谐波调控方法。
技术介绍
[0002]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。而信息超表面通过高速动态改变编码超表面的控制信号，在时间维度上提供了额外的自由度，使其在不需要使用非线性材料的前提下成为了一个非线性器件，进而可以产生一系列谐波分量。因此，信息超表面在通信、隐身和成像领域具有潜在应用价值。
技术实现思路
[0003]本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于信息超表面的任意双谐波调控方法，能够对自由空间中的电磁波频率进行转化，产生一系列谐波，并对其中任意两阶谐波进行独立控制。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基本单元，该单元结构包括上表面结构、介质基板与下表面结构，其中，上表面结构包括不同尺寸的矩形金属贴片结构，并且各个矩形之间跨接变容二极管或贴片电容；上表面结构的不同尺寸的矩形金属贴片结构排列于介质基板的上表面；下表面结构为金属背板，位于介质基板下表面；每个基本单元还包含两排贯穿上下表面结构的金属通孔，并且金属通孔位于宽度最大的矩形金属贴片内。如图2(a)所示，其是表面结构的不同尺寸的矩形金属贴片结构排列于介质基板的上表面的一种表现形式，可以按照实际需要设计其它连接方式。
[0005]此外，本专利技术还提出一种根据上述基本单元构建的信息超表面，该信息超表面由上述基本单元周期排列而成。
[0006]此外，本专利技术还提出一种根据所述信息超表面对任意双谐波调控方法，该方法包括如下步骤：
[0007](1)确定生成谐波所需的基本反射系数波形函数Γ(t)及其周期T，并计算出各阶谐波分量的幅度与相位；
[0008](2)选取所需调控的谐波阶数m、n并设计相应的超表面相位分布矩阵Pm、Pn；
[0009](3)结合Pm、Pn以确定信息超表面各单元反射系数波形所需引入的初始相位矩阵与时间延迟矩阵
[0010](4)利用基本反射系数波形Γ(t)、初始相位矩阵与时间延迟矩阵计算出超
表面各单元所需的反射系数波形Γ
pq
(t)；
[0011](5)根据超表面反射系数与控制信号之间的映射关系设计超表面各单元所需的控制信号。
[0012]优选的，步骤(1)的具体方法如下：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被时变的反射系数调制，变化为以入射波频率为中心，反射系数周期倒数f0＝1/T为谐波频率间隔的混频信号＝1/T为谐波频率间隔的混频信号
[0013]其中，E
r
(f
′
)代表反射波的频域表达式，δ(f-kf
0-f
c
)表示频移为kf
0-f
c
的冲激函数，a
k
则代表第k阶谐波频率为kf0+f
c
的复数系数，具体可表示为：
[0014][0015]其中，j为虚数单位，π为圆周率，exp(-jk2πf0t)代表幅度为1，相位为-k2πf0t的自然指数函数，为积分函数，A
k
、Ψ
k
为第k阶谐波的原始幅度与相位，根据公式(1)，便可以通过Γ(t)及其周期T计算出第k阶谐波的频率kf0+f
c
与对应的原始幅度与相位。
[0016]优选的，步骤(2)的具体方法如下：利用电压控制信号调控超表面单元上有源器件，包括但不限于二极管，变容管，MEMS开关，石墨烯等，进而控制信息超表面的反射系数相位，从而建立它们间的映射关系，通过改变反射系数相位波形的初始相位ψ0与时间延迟t0，反射波各阶谐波的相位将会产生相应变化，而幅度保持不变，第k阶谐波新的复数系数a
k
′
具体可表示为：
[0017][0018]从上式可以看出，初始相位对各阶谐波的相位的影响是一致的，而时间延迟根据谐波阶数k引入不同的相位k2πf0t0，通过联立以下二元一次方程组，便可以对任意两阶谐波的相位进行综合：
[0019][0020]其中，ΔΨ
m
与ΔΨ2分别代表m阶与n阶谐波所需综合的相位，上式的解具体为：
[0021][0022]通过设计信息超表面在反射波m、n阶谐波频率处mf0+f
c
与nf0+f
c
的相位分布矩阵Pm与Pn，实现双阶谐波的独立调控。
[0023]优选的，步骤(3)的具体方法如下：将Pm、Pn中相同坐标位置的元素，即第m、n阶谐波所需相位，带入公式(3)、(4)中，求得超表面第p行第q列单元的反射系数波形中所需引入的初始相位与时间延迟进而各自组成初始相位矩阵与时间延迟矩阵
[0024]优选的，步骤(4)的具体方法如下：提取初始相位矩阵与时间延迟矩阵相同位置的元素，引入基本反射波形Γ(t)中，得出超表面第p行第q列单元所需的具体反射系数
波形为
[0025]优选的，步骤(5)的具体方法如下：将计算所得超表面第p行第q列单元所需的反射系数波形Γ
pq
(t)映射为该单元所需的电压控制信号，当加载上电压控制信号时，超表面被频率为f
c
的入射波激发，其反射波中频率为mf0+f
c
与nf0+f
c
的谐波便会呈现出所设计的散射方向图，实现所述任意双阶谐波调控功能。
[0026]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益的技术效果：
[0027](1)本专利技术原理简单，只需要控制调制信号的频率以及波形，就可以操控电磁波的谐波分布；
[0028](2)本专利技术通过对基本调制波形初始相位及时延的精心设计，可以同时调控任意双阶谐波，简单有效；
[0029](3)与传统优化算法相比，本专利技术具有设计简单，结果准确等特点，因此可以大大简化信息超表面调制波形的设计难度。
附图说明
[0030]图1为本专利技术调控信息超表面的示意图。
[0031]图2(a)、(b)为本专利技术所设计的信息超表面单元结构图，图中标注了元器件的种类与几何参数的定义，图2(c)为本专利技术所设计的信息超表面单元的反射幅度/相位随控制电压变化仿真结果图。
[0032]图3(a)为本专利技术所设计的反射系数相位波形引入初始相位ψ0与时间延迟t0后的示意图。
[0033]图3(b)为本专利技术所设计的反射系数相位波形在不同初始相位与时间延迟条件下，反射波+1阶本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基本单元，其特征在于，该单元结构包括上表面结构、介质基板与下表面结构，其中，上表面结构包括不同尺寸的矩形金属贴片结构，并且各个矩形之间跨接变容二极管或贴片电容；上表面结构的不同尺寸的矩形金属贴片结构排列于介质基板的上表面；下表面结构为金属背板，位于介质基板下表面；每个基本单元还包含两排贯穿上下表面结构的金属通孔，并且金属通孔位于宽度最大的矩形金属贴片内。2.根据权利要求1所述的一种基本单元构建的信息超表面，其特征在于，该信息超表面由上述基本单元周期排列而成。3.一种根据权利要求2所述信息超表面对任意双谐波调控方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)确定生成谐波所需的基本反射系数波形函数Γ(t)及其周期T，并计算出各阶谐波分量的幅度与相位；(2)选取所需调控的谐波阶数m、n并设计相应的超表面相位分布矩阵Pm、Pn；(3)结合Pm、Pn以确定信息超表面各单元反射系数波形所需引入的初始相位矩阵与时间延迟矩阵(4)利用基本反射系数波形Γ(t)、初始相位矩阵与时间延迟矩阵计算出超表面各单元所需的反射系数波形Γ
pq
(t)；(5)根据超表面反射系数与控制信号之间的映射关系设计超表面各单元所需的控制信号。4.根据权利要求3所述的对任意双谐波调控方法，其特征在于，步骤(1)的具体方法如下：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被时变的反射系数调制，变化为以入射波频率为中心，反射系数周期倒数f0＝1/T为谐波频率间隔的混频信号其中，E
R
(f
′
)代表反射波的频域表达式，δ(f-kf
0-f
c
)表示频移为kf
0-f
c
的冲激函数，a
k
则代表第k阶谐波频率为kf0+f
c
的复数系数，具体可表示为：其中，j为虚数单位，π为圆周率，exp(-jk2πf0t)代表幅度为1，相位为-k2πf0t的自然指数函数，为积分函数，A
k
、Ψ
k
为第k阶谐波的原始幅度与相位，根据公式(1)，通过Γ(t)及其周期T计算出第k阶谐...
【专利技术属性】
技术研发人员：苗龙，戴俊彦，姜汝丹，杨林军，赵兴，程强，崔铁军，
申请(专利权)人：江苏易珩空间技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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