本发明专利技术公开一种极化域和空间域非互易性超表面装置，包含：多个相同的超表面单元；每个超表面单元包含辐射贴片、介质基板和金属背板三层结构；超表面单元，用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过改变馈电点正交相位差值，调控超表面装置极化域的极化状态，每个所述超表面单元的馈电点正交相位差值均相同，馈电点正交相位差值是同一超表面单元的辐射贴片的正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差；在前向频率转换和后向频率转换时，通过调整不同超表面单元的第一相位值，实现波束指向的非互易性。本发明专利技术还公开一种极化域和空间域非互易性超表面控制方法，使用所述装置。本发明专利技术实现了高集成度的非互易性器件，尤其适用点对点通信。尤其适用点对点通信。尤其适用点对点通信。
【技术实现步骤摘要】
一种极化域和空间域非互易性超表面装置和控制方法
[0001]本专利技术涉及超表面
，尤其涉及一种极化域和空间域非互易性超表面装置和控制方法。
技术介绍
[0002]超表面是一种二维平面人工超构材料，通常由亚波长尺寸的单元周期性或非周期性排布而成，能够灵活调控电磁波传播，可以形成任意形状的波阵面，具有自然界常规材料无法实现的电磁新特性。目前基于电磁超表面已经设计出了隐身斗篷、平面透镜和电磁黑洞等具有奇异电磁功能的新器件。然而，传统的静态电磁超材料和超表面都是基于连续变化的媒质参数，通过设计超表面单元结构及参数，控制电磁波的幅度、相位和极化等物理参量，一旦制备成型其功能也将固化，难以满足动态调控的应用需求。
技术实现思路
[0003]本专利技术提供一种极化域和空间域非互易性超表面装置和控制方法，解决现有技术难以动态调控极化方向和波束指向的问题。
[0004]为解决上述问题，本专利技术是这样实现的：
[0005]本专利技术实施例提供一种极化域和空间域非互易性超表面装置，包含：多个相同的超表面单元。每个所述超表面单元由辐射贴片、介质基板和金属背板三层结构组成，所述辐射贴片在所述介质基板的顶面，所述金属背板在所述介质基板的底面。所述超表面单元，用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过改变馈电点正交相位差值，调控超表面装置极化域的极化状态，每个所述超表面单元的馈电点正交相位差值均相同，所述馈电点正交相位差值是同一超表面单元的辐射贴片的正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差。在前向频率转换和后向频率转换时，通过调整不同超表面单元的第一相位值，实现波束指向的非互易性，所述第一相位值是在同一超表面单元的辐射贴片的不同馈电点间加载的时变调制信号的相位值中的共有相位值。所述前向频率转换是第一频率转换为第二频率，所述后向频率转换是第二频率转换为第一频率，所述时变调制信号为所述第一频率与所述第二频率的频差正弦信号。
[0006]优选地，多个相同的超表面单元按矩形排列方式均匀排列而成。
[0007]优选地，超表面单元中心工作频率为1～6GHz，所述时变调制信号的频率小于等于所述超表面单元中心工作频率的千分之六。
[0008]优选地，所述超表面单元的辐射贴片为正方形辐射贴片，包含4个馈电点，4个馈电点分别位于正方形的四个边的中心位置处，正方形贴片相对两条边上的馈电点的输入信号相位值相同。
[0009]优选地，在出射信号频率和出射信号波束宽度条件下，确定超表面单元的单元数，使出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件。
[0010]进一步地，对超表面单元加载的第一相位值如公式1。
[0011]进一步地，正方形辐射贴片的边长范围为：0.45λ～0.55λ，λ为超表面单元中心工作频率处的介质波长。
[0012]进一步地，4个馈电点对应4个电路结构相同的馈电电路，每个馈电电路均由电容、变容二极管和电感组成。
[0013]进一步地，所述超表面单元采用正方形铜辐射贴片和铜金属背板。
[0014]本专利技术实施例还提供一种极化域和空间域非互易性超表面控制方法，使用本专利技术任一项实施例所述装置，包含以下步骤：根据出射信号频率和出射信号波束宽度，确定超表面单元的单元数，使得出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件；根据入射信号和出射信号的极化状态，计算超表面单元的馈电点正交相位差值，每个超表面单元的所述馈电点正交相位差值均相同；通过入射信号和出射信号的波束指向，计算每个超表面单元加载的第一相位值；通过改变所述馈电点正交相位差值，实现超表面装置极化域非互易性，通过对每个超表面单元单独加载第一相位值，实现超表面装置空间域非互易性。
[0015]本专利技术有益效果包括：第一、本专利技术可独立控制超表面单元内和单元间时变调制信号的相位值，可以实现超表面极化域的极化状态和空间域波束指向动态调控。第二、极化域和空间域非互易的非互易性超表面可以用来实现同时同频全双工通信，可以成倍的提高频谱利用率。第三、极化域的非互易性可以遍历水平线极化、垂直线极化、左旋圆极化、右旋圆极化、椭圆极化等多种电磁波极化状态，前向频率转换或后向频率转换可以在它们任意两极化状态之间变换。
附图说明
[0016]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0017]图1(a)为本专利技术超表面装置实施例的超表面装置示意图；
[0018]图1(b)为本专利技术超表面装置实施例的超表面单元侧视示意图；
[0019]图1(c)为本专利技术超表面装置实施例的超表面单元顶层结构示意图；
[0020]图1(d)为本专利技术超表面装置实施例的超表面单元排列方式示意图；
[0021]图2为超表面单元的单元相位值与时变调制信号相位关系曲线实施例；
[0022]图3(a)为极化域非互易性实施例的庞加莱球示意法示意图；
[0023]图3(b)为极化域非互易性实施例的馈电点正交相位差值示意图；
[0024]图4(a)为空间域非互易性实施例的前向频率转换示意图；
[0025]图4(b)为空间域非互易性实施例的后向频率转换示意图；
[0026]图4(c)为空间域非互易性实施例的一种波束指向；
[0027]图4(d)为空间域非互易性实施例的又一种波束指向；
[0028]图4(e)为空间域非互易性实施例的第三种波束指向；
[0029]图4(f)为空间域非互易性实施例的第四种波束指向；
[0030]图5为本专利技术方法流程实施例。
具体实施方式
[0031]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术具体实施例及
相应的附图对本专利技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]将电磁非互易性与超表面结合设计实现非互易性超表面，可以进一步扩充传统超表面的功能，提高超表面操控电磁波的能力和维度，动态地实现多种新奇的新物理特征。时间域和空间域的联合调制不但可以同时调控电磁波的空间波束指向和频谱分布，还可以打破时间反演对称性实现电磁波的非互易性传输。
[0033]极化域与空间域非互易性可独立动态调控的非互易性超表面，在无线通信领域价值凸显。非互易性超表面可以提供完全独立的收发通道，能够实现同时同频带内全双工通信，可以成倍的提高频谱利用率，具有广阔的应用前景。
[0034]本专利技术的创新点在于：第一、本专利技术采用加载时变调制信号的技术方法，打破时间反演对称性，实现电磁波的非互易性传输；第二、本专利技术通过独立控制超表面单元内正交低频时变调制信号的相位差值动态调控超表面极化域的极化状态；第三、本专利技术通过独立控制超表面单元间低频时变调制信号的相位值可以动本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，包含：多个相同的超表面单元；每个所述超表面单元包含辐射贴片、介质基板和金属背板三层结构，所述辐射贴片在所述介质基板的顶面，所述金属背板在所述介质基板的底面；所述超表面单元，用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过改变馈电点正交相位差值，调控超表面装置极化域的极化状态，每个所述超表面单元的馈电点正交相位差值均相同，所述馈电点正交相位差值是同一超表面单元的辐射贴片的正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差；在前向频率转换和后向频率转换时，通过调整不同超表面单元的第一相位值，实现波束指向的非互易性，所述第一相位值是在同一超表面单元的辐射贴片的不同馈电点间加载的时变调制信号的相位值中的共有相位值；所述前向频率转换是第一频率转换为第二频率，所述后向频率转换是第二频率转换为第一频率，所述时变调制信号为所述第一频率与所述第二频率的频差正弦信号。2.如权利要求1所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，多个相同的超表面单元按矩形排列方式均匀排列而成。3.如权利要求1所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，超表面单元中心工作频率为1～6GHz，所述时变调制信号的频率小于等于所述超表面单元中心工作频率的千分之六。4.如权利要求1或2任一项所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，所述超表面单元的辐射贴片为正方形辐射贴片，包含4个馈电点，4个馈电点分别位于正方形的四个边的中心位置处，正方形贴片相对两条边上的馈电点的输入信号相位值相同。5.如权利要求2所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于出射信号频率和出射信号波束宽度，确定所述超表面单元的单元数，使出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件。6.如权利要求2所述的极化域和空间域非互易性超表面装置，其特征在于，对超表面单元加载的所述第一相位值...
【专利技术属性】
技术研发人员：臧家伟，王守源，潘娟，安少赓，
申请(专利权)人：中国信息通信研究院，
类型：发明
国别省市：
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