一种相位动态可调的透反射一体电磁超构表面制造技术

本发明专利技术涉及一种相位动态可调的透反射一体电磁超构表面。本发明专利技术主要由相位调控层和幅度调控层组成；在同一电磁波入射下，通过调控幅度调控层内加载的开关二极管，可调控单元工作为透射型或反射型，通过调控相位调控层内加载的开关二极管，可实现对透射波或反射波的相位调控，且相位调控与幅度调控完全独立。通过合理地排布工作在不同状态的电磁超构表面单元，可令电磁超构表面在反射模式、透射模式和全空间模式等三种工作模式之间实时切换。本发明专利技术的相位动态可调的透反射一体电磁超构表面不仅可实现全空间的动态波束调控，同时具备了结构紧凑、易于加工、高对称性等优点，在无线通信、雷达探测、成像等领域都有重要的应用前景。成像等领域都有重要的应用前景。成像等领域都有重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种相位动态可调的透反射一体电磁超构表面


[0001]本专利技术属于人工电磁超构材料领域，具体涉及一种相位动态可调的透反射一体电磁超构表面。

技术介绍

[0002]近年来，电磁超构材料由于具备天然材料所不具备的电磁特性，从而引起科学研究领域的广泛关注。作为电磁超构材料的二维形式，电磁超构表面具备易加工、低剖面和小体积等优点。电磁超构表面由亚波长尺寸的基本结构单元周期性地或非周期性地在二维平面排布构成，目前已广泛应用于调控电磁波的幅度、相位、极化等特性。
[0003]由于在实际应用中的空间资源有限，因此在同一设计中集成多种功能已成为电磁超构表面的设计与研究中的一个热点。然而，目前已发表的工作中所涉及的电磁超构表面绝大多数为反射型，只有极少数为透射型。无论是透射型或是反射型电磁超构表面，均只利用了一半的空间资源，浪费了另一半的空间资源。因此，为了充分利用空间资源，可调控全空间内电磁波特性的全空间电磁超构表面应运而生。然而，目前已发表的全空间电磁超构表面均需通过改变入射波的极化、频率或传播方向等特性从而实现工作在前向空间或后向空间的切换，难以在同一入射波照射下实现透射或反射的切换。
[0004]因此，亟需探索一种针对同一入射波的全空间电磁超构表面设计方案，仅需通过调控电磁超构表面单元内集成的有源器件仅可实现全空间的波束动态调控。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的目的是提供了一种相位动态可调的透反射一体电磁超构表面，通过对处于不同工作状态的基本结构单元的不同排列分布，可将电磁超构表面切换至反射模式、透射模式和全空间模式等三个模式，从而在全空间内实现动态双波束扫描、直通等功能。
[0006]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术提出以下技术方案：一种相位动态可调的透反射一体电磁超构表面，由基本结构单元在xy二维平面内周期延拓而成；所述基本结构单元包括相位调控层和幅度调控层；所述相位调控层包括上表面金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层和下表面金属层；所述上表面金属层与下表面金属层结构完全一致，均包括处于中间位置的矩形金属贴片和处于两侧的矩形贴片，处于xy平面内同一位置的矩形贴片分别通过金属过孔两两相连；所述上表面金属层和下表面金属层的层内的矩形金属贴片通过开关二极管相连；所述中间层金属层设有金属窄带线连接开关二极管负极，通过金属过孔与上、下表面金属层中处于两侧位置的矩形贴片相连；所述幅度调控层包括一层介质层和上、下两层金属层；所述上层金属层包括一个金属方环贴片和内嵌金属贴片，两块金属贴片由开关二极管相连；所述下层金属层设有金属窄带线连接开关二极管负极；通过调控相位调控层内加载的开关二极管，可实现对透射波或反射波的相位调控，通过调控幅度调控层内加载的开关二极管，可调控基本结构单元工作
为透射型或反射型。
[0007]作为优选，构成基本结构单元的相位调控层和幅度调控层，相互独立，又相互协同；所述幅度调控层内开关二极管截止时，基本结构单元工作在反射状态，相位调控层内开关二极管导通或截止时，单元可实现180
°
的相位差，所述两种状态分别定义为“0”和“1”编码状态；所述幅度调控层内开关二极管导通时，单元工作在透射状态，相位调控层内开关二极管导通或截止时，单元可实现180
°
的相位差，所述两种状态分别定义为“2”和“3”编码状态。
[0008]在一些实施例中，令电磁超构表面仅由反射型
ꢀ“
0”和“1”编码单元构成，电磁超构表面可实时切换为反射模式，在背向空间形成反射型双波束扫描功能。
[0009]在一些实施例中，令电磁超构表面仅由透射型“2”和“3”编码单元构成，电磁超构表面可实时切换为透射模式，在前向空间形成透射型双波束扫描功能。
[0010]在一些实施例中，令电磁超构表面由反射型
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0”和“1”编码单元，以及透射型“2”和/或“3”编码单元空间复用构成，电磁超构表面可实时切换为全空间模式，同时在背向空间形成反射型双波束扫描功能和在前向空间形成透射直通功能，或同时在前向和背向空间实现双波束功能。
[0011]作为优选，所述相位调控层的中间层金属层，包括两条在长度方向上与上表面金属层的矩形金属贴片平行的金属窄带线，以及与该两条金属窄带线垂直相交的一条金属窄带线，三条金属窄带线的交点位置处连接金属过孔。
[0012]作为优选，所述幅度调控层的上层金属层中，内嵌金属贴片由矩形金属贴片挖槽构成的多边形金属贴片。
[0013]作为优选，所述幅度调控层的下层金属层由两条相互垂直的金属窄带线构成，交点通过金属过孔与上层金属层的内嵌金属贴片中心相连。
[0014]进一步地，所述相位动态可调的透反射一体电磁超构表面还包括控制器件，所述控制器件输出的电平同时控制每一列单元内加载的开关二极管的工作状态，可令单元在相位差为180
°
的两种透射状态和相位差为180
°
的两种反射状态四种电磁响应之间切换。
[0015]作为优选，采用现场可编程门阵列（Field
‑
programmable Gate Array, FPGA）作为控制器件。
[0016]有益效果：本专利技术提供的电磁超构表面主要由相位调控层和幅度调控层两层结构构成，结合开关二极管构成受电压控制的可调的基本结构单元。在x极化电磁波入射下，利用FPGA调控加载在单元内开关二极管的工作状态可独立调控单元的幅度与相位，从而分别实现对透射电磁波和反射电磁波的1比特相位调控。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术提供的相位动态可调的透反射一体电磁超构表面具备在同一极化内同时调节电磁波的幅度与相位的功能，通过FPGA输出不同的电压可调控不同工作状态的单元的排列分布从而实现全空间波束的动态调控，同时具备结构简单、制备成本低等优点，且可通过等比例缩放等手段将所述设计搬移至所需频段。这种全空间电磁超构表面的设计在需要全空间覆盖和动态响应的无线通信等领域均具有极大潜力。
[0017]2、本专利技术通过级联一层可实现相位调控的电磁超构表面和一层可实现幅度调控（透射和反射调控）的电磁超构表面可实现相位和幅度的独立调控。其中，相位调控层的上
表面金属层和下表面金属层保持一致，可令相位调控层保持高幅度透射，从而提高单元的整体效率；进一步为了便于统一集中馈电，在相位调控层中添加了由金属窄带线构成的中间金属层结构，在幅度调控层中添加了由金属窄带线构成的下层金属结构。并且在幅度调控层中通过对矩形金属贴片挖槽构成多边形图案等方法提高单元的相位覆盖范围。
[0018]3、本专利技术具有结构紧凑、易于加工、高对称性等优点，具有良好的工程应用前景。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例的电磁超构表面结构和原理示意图。
[0020]图2是本专利技术实施例中的基本结构单元的透视视图。
[0021]图3是本专利技术实施例中的基本结构单元的反射幅度（图a）和相位（图b）的仿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相位动态可调的透反射一体电磁超构表面，其特征在于，由基本结构单元在xy二维平面内周期延拓而成；所述基本结构单元包括相位调控层和幅度调控层；所述相位调控层包括上表面金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层和下表面金属层；所述上表面金属层与下表面金属层结构完全一致，均包括处于中间位置的矩形金属贴片和处于两侧的矩形金属贴片，处于xy平面内同一位置的矩形金属贴片分别通过金属过孔两两相连；所述上表面金属层和下表面金属层的层内的矩形金属贴片通过开关二极管相连；所述中间层金属层设有金属窄带线连接开关二极管负极，通过金属过孔与上、下表面金属层中处于两侧位置的矩形金属贴片相连；通过调控相位调控层内加载的开关二极管，实现对透射波或反射波的相位调控；所述幅度调控层包括一层介质层和上、下两层金属层；所述上层金属层包括一个金属方环贴片和内嵌金属贴片，两块金属贴片由开关二极管相连；所述下层金属层设有金属窄带线连接开关二极管负极；通过调控幅度调控层内加载的开关二极管，调控单元工作为透射型或反射型。2.根据权利要求1所述的相位动态可调的透反射一体电磁超构表面，其特征在于，构成基本结构单元的相位调控层和幅度调控层，相互独立，又相互协同；所述幅度调控层内开关二极管截止时，基本结构单元工作在反射状态，相位调控层内开关二极管导通或截止时，单元可实现180
°
的相位差，所述两种状态分别定义为“0”和“1”编码状态；所述幅度调控层内开关二极管导通时，结构单元工作在透射状态，相位调控层内开关二极管导通或截止时，单元可实现180
°
的相位差，所述两种状态分别定义为“2”和“3”编码状态。3.根据权利要求2所述的相位动态可调的透反射一体电磁超构表面，其特征在于，令电磁超构表面仅由反射型
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0”和“1”编码单元构成，电磁超构表面可实时切换为反射模式...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯一军，胡琪，陈克，赵健民，赵俊明，姜田，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：