一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面，该超表面由两层双面的结构单元在空间上周期排布构成，第一层用来控制反射的振幅和相位，称为振幅‑相位控制层，第二层用于控制反射和透射波的振幅，称为反射‑透射控制层；在每一层介质基板的正反两面，正面横向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，反面纵向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，通过直流稳压源能够为开关二极管提供不同的偏置电压，使其处于不同的工作状态，从而实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。此外，该超表面还具有同时独立控制水平极化波和垂直极化波的能力。该超表面具有作为智能隐身天线罩的潜在应用。

【技术实现步骤摘要】
一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面
本专利技术属于新型人工电磁材料领域，一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面。
技术介绍
近几十年来，超材料作为一种可以任意控制电磁波传输路径的人造材料受到了广泛的关注。已经报道了许多基于超材料的新奇样品，例如负折射，完美镜片，隐形斗篷等。然而，超材料通常体积庞大，具有制造复杂，损耗高和分散性强的缺点。自2011年以来，已经提出了超表面，可以通过将亚波长散射体设置为二维(2D)模式将其视为平面超材料。与传统的体积大的超材料相比，超表面具有低轮廓，低损耗和易于制造的优点，并且还具有强大的电磁波处理能力。在微波频带中，超表面被广泛用于操纵极化状态，产生涡旋光束，实现高指向性天线和增强吸收。通常，超表面可以分为两种类型：透射和反射。但是，常规的超表面通常只能在反射状态或透射状态中工作，并且仅具有单一功能。最近，在微波和光学波段中都提出了一些多功能的超表面，它们对不同的偏振波具有不同的功能。但是，一旦完成设计，这些超表面的功能将无法更改。编码超材料，它在物理世界和数字信息世界之间架起了一座桥梁，近年来受到了极大的关注。通过将有源组件加载到单元结构中，可以实现数字编码超材料，它具有实时处理电磁波和处理数字信息的强大功能。但是，由于易于设计和制造，大多数数字编码超表面都是反射型的。最近一些对于反射和透射波的进行调控超表面也被提出来，但这些结构往往反射或者透射功能固定，或者只能工作在单一极化波中，并不能真正的全空间调控电磁波。
技术实现思路
r>技术问题：为了克服上述难题，本专利技术提供一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面。通过调控加载单元缝隙上的开关二极管的偏置电压，可实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。技术方案：本专利技术的一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面由两层双面的结构单元在空间上周期排布构成，第一层用来控制反射的振幅和相位，称为振幅-相位控制层，第二层用于控制反射和透射波的振幅，称为反射-透射控制层；在每一层介质基板的正反两面，正面横向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，反面纵向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，通过直流稳压源能够为开关二极管提供不同的偏置电压，使其处于不同的工作状态。从而实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。其中，所述的两层结构单元中，第一层和第二层的结构单元形状不同，但每层正反两面的结构单元形状大小一致，都为双面金属涂层结构且正反的排列结构互相正交，其中每层的正面和背面金属单元结构分别用于控制X极化波和Y极化波。所述两层双面的结构单元的上下两层相互独立，又相互协同工作；当反射-透射控制层处于关闭状态，该表面可以通过控制振幅-相位层，实现全反射和全吸收；当反射-透射控制层处于全反射状态，通过实时改变编码的相位，对反射波进行波束调制；当振幅-相位层处于打开状态，通过控制反射-透射控制层，调控透射波的幅度。所述的介质基板厚度尽量薄，达到降低介质基板所带来的的介质损耗，增加透射率的效果。所述多功能超表面，在可编程调控反射波情况下，单元结构呈现对电磁波反射相位差180度的两种不同电磁响应，两种不同的电磁响应用二进制数字“0”和“1”来表示。所述开关二极管是采用表面贴装技术焊接在结构单元的金属贴片缝隙之间的。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优势在于：1.本专利技术中的可重构多功能超表面可以调控全空间电磁波，实现全透射、全吸收、全反射实时切换，并且在全反射时，通过给与不同的可编程序列实时调控反射波。2.本专利技术中的可重构多功能超表面具有同时独立控制水平极化波和垂直极化波的能力。3.本专利技术中的可重构多功能超表面可应用在智能隐身天线罩。附图说明图1a是可重构多功能超表面原理示意图，右上小图为单元结构图，右下小图为二极管等效模型；图1b是当振幅/相位层处于打开状态，通过控制反射-透射控制层，可以不断调控反射波和透射波的幅度；图1c是反射-透射控制层处于关闭状态，通过控制振幅/相位层，可以实现全反射和全吸收；图1d是反射-透射控制层处于关闭状态，通过实时改变编码的相位，可以对反射波进行波束调制；图2a入射波为在X极化波的仿真结果；图2b入射波为在Y极化波的仿真结果；图3a入射波为在X极化波的仿真结果；图3b入射波为在Y极化波的仿真结果；图4a是反射能量；图4b是反射相位；图5a是编码序列为00000000000000000000在X极化波入射下，三维远场辐射图图5b是编码序列为00001111000011110000在X极化波入射下，三维远场辐射图图5c是编码序列为01110001011000001001在X极化波入射下，三维远场辐射图图5d是编码序列为00000000000000000000在Y极化波入射下，三维远场辐射图图5e是编码序列为00001111000011110000在Y极化波入射下，三维远场辐射图图5f是编码序列为01110001011000001001在Y极化波入射下，三维远场辐射图图5g是在X极化波入射下，二维远场辐射图；图5h是在Y极化波入射下，二维远场辐射图；图6a是测试环境图；图6b是振幅/相位层正面图；图6c是振幅/相位层背面图；图6d是反射-透射控制层正面图；图6e是反射-透射控制层背面图；图7a入射波为在X极化波的实验结果；图7b入射波为在Y极化波的实验结果；图8a是远场测试环境图；图8b是9.5GHz下，二维远场方向图；图8c是10GHz下，二维远场方向图；图8d是10.5GHz下，二维远场方向图；图8e是11GHz下，二维远场方向图；图8f是11.5GHz下，二维远场方向图；图9a是当天线正在工作，振幅/相位层和反射-透射控制层打开，超表面对于电磁波来说是透明的；图9b是当天线正在不工作，反射-透射控制层关闭，控制振幅/相位层实现对电磁波的吸波和反射，从而对于雷达检测波来说，天线是不可见的；图9c是测试环境图；图10a是天线E面二维远场图；图10b是天线H面二维远场图。具体实施方式本专利技术的一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面，该超表面由两层结构构成，第一层用来控制反射的振幅和相位，称为振幅/相位控制层，第二层用于控制反射和透射波的振幅，称为反射-透射控制层。每一层都加载了一系列开关二极管，通过直流稳压源能够为开关二极管提供不同的偏置电压，使其处于不同的工作状态。从而实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。每一层单元的正面和反面结构中心对称，单元周期排布，通过直流稳压源控制开关二极管。超表面单元的上下两层相互独立，又相互协同工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面，其特征在于，该超表面由两层双面的结构单元在空间上周期排布构成，第一层用来控制反射的振幅和相位，称为振幅-相位控制层，第二层用于控制反射和透射波的振幅，称为反射-透射控制层；在每一层介质基板的正反两面，正面横向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，反面纵向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，通过直流稳压源能够为开关二极管提供不同的偏置电压，使其处于不同的工作状态。从而实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面，其特征在于，该超表面由两层双面的结构单元在空间上周期排布构成，第一层用来控制反射的振幅和相位，称为振幅-相位控制层，第二层用于控制反射和透射波的振幅，称为反射-透射控制层；在每一层介质基板的正反两面，正面横向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，反面纵向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，通过直流稳压源能够为开关二极管提供不同的偏置电压，使其处于不同的工作状态。从而实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。


2.根据权利要求1所述的具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面，其特征在于，所述的两层结构单元中，第一层和第二层的结构单元形状不同，但每层正反两面的结构单元形状大小一致，都为双面金属涂层结构且正反的排列结构互相正交，其中每层的正面和背面金属单元结构分别用于控制X极化波和Y极化波。


3.根据权利要求1所述的具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面，其特征在于...

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