一种幅度和极化联合调控的时间编码超构表面制造技术

本发明专利技术涉及一种幅度和极化联合调控的时间编码超构表面，旨在改善由可调超构表面构成的新型无线通信系统只采用一种调制方式的限制。本发明专利技术所述超构表面由n

【技术实现步骤摘要】
一种幅度和极化联合调控的时间编码超构表面


[0001]本专利技术属于人工电磁超构材料领域，具体涉及一种幅度和极化联合调控的时间编码超构表面。

技术介绍

[0002]超构表面作为超构材料的二维形式，由亚波长尺寸的基本单元在平面内周期性地或非周期性地排列而成，且同时具备剖面低、结构紧凑、易于加工等优点。近来，超构表面已被广泛应用于调控电磁波的幅度、相位和极化等基本特性，促进了波束赋形、超透镜、隐身衣等应用领域的发展。然而目前大部分已发表的超构表面工作均为无源设计，即遭受加工完成后所能实现的功能将固定的缺点，无法应用于需求随时间变化的场景。
[0003]传统无线通信系统的结构往往比较复杂，其中包括振荡器、放大器、调制器、混频器、检波器和解调器等多种结构。近来，科学家们提出利用加载有源器件的可调超构表面可构成新型无线通信系统，利用基带信号数据与电磁波的幅度、相位和极化等特性之间的映射关系，可将基带信号直接调制于载波之上，大大简化无线通信系统的结构。然而，目前为止，绝大多数已发表的基于可调超构表面的新型无线通信系统均基于相位调制，且通常只能对电磁波的某一种特性进行调控。
[0004]因此，实现基于多种调制方式的由可调超构表面构成的新型无线通信系统仍是重大的挑战。

技术实现思路

[0005]技术问题：本专利技术的目的是提供一种幅度和极化联合调控的时间编码超构表面，旨在改善由可调超构表面构成的无线通信系统只能基于一种调制方式的限制。
[0006]技术方案：为实现上述技术效果，本专利技术提出以下技术方案：
[0007]一种幅度和极化联合调控的时间编码超构表面，其特征在于，由n
×
n个基本单元在二维平面内周期延拓而成，整体电磁特性由外部控制电路实时调控；所述超构表面的基本单元结构包括自上而下的上层金属贴片层、上层介质层、中间层金属贴片层、下层介质层和下层金属贴片层构成；所述上层金属贴片层由沿着单元对角线方向的“工”字型金属贴片构成，该贴片被截断为两部分，且一个开关二极管加载在这两块不同尺寸的被截断的金属贴片之间；所述中间层金属贴片层为挖去圆型区域的与单元尺寸相等的方形金属贴片，且通过位于单元中心位置的实心金属过孔与上层金属贴片层中尺寸较大的金属贴片相连；下层金属贴片层由矩形金属贴片和一条金属窄带线构成，且通过空心金属过孔与上层金属贴片层中尺寸较小的金属贴片相连，所述金属窄带线将处于同一列(y方向)的单元相连。
[0008]通过外部控制电路令基本单元内开关二极管导通时，基本单元将入射电磁波以交叉极化形式反射；通过外部控制电路令基本单元内开关二极管截止时，单元将入射电磁波以同极化形式反射，从而实现幅度和极化联合调控。
[0009]作为优选，本专利技术所述、基本单元的上层金属贴片层沿对角线呈对称结构，从而令
其在x极化或y极化电磁波入射时的电磁响应完全一致。
[0010]作为优选，外部控制电路由一块现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)构成，该控制电路可输出0V或3.3V的控制电压，相对应的，调控基本单元内开关二极管工作为截止状态或导通状态。
[0011]当电磁波以特定频率fa入射至超构表面时，通过所述外部控制电路输出周期性的控制信号(fn)并通过偏置电路加载至超构表面，所述超构表面的反射系数随周期性的控制信号呈周期性变化。基于傅里叶变换原理，周期性的控制信号将激励起一系列以入射电磁波频率为中心频率的谐波信号，其中，m阶谐波所对应的频率为fa+mfn。通过周期性地切换外部控制信号，可同时非线性地调控基波和谐波在同极化与交叉极化方向上的反射幅度与相位。
[0012]本专利技术提出一种基于幅度调制和/或极化调制的由所述可调超构表面构成的无线通信系统，其中，入射电磁波作为载波，根据通信需求所转化的数据流(基带信号)作为控制信号，由FPGA输出并加载至所述超构表面上，接收端接收调制后的信号，解调并呈现通信内容，如图片、视频等，从而完成无线通信。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0014]1、本专利技术所提出的超构表面结构简单、易于设计、制备成本低，通过等比例缩放等手段便可灵活搬移至其他目标工作频段。
[0015]2、本专利技术所提出的可调超构表面，可同时调控电磁波的极化和幅度两个特性，与一般其他只能调控一个特性的设计相比，在电磁波的调控中提供了更多的自由度。
[0016]3、本专利技术所提出的可调超构表面，可通过切换周期性的控制信号，同时非线性地调控同极化和交叉极化方向上的基波和谐波的反射幅度和相位。
[0017]4、本专利技术所提出的基于可调超构表面的新型无线通信系统，无需混频器、放大器、滤波器等传统无线通信系统中所必需的结构，极大地简化了无线通信系统框架，同时降低了制造成本。
[0018]5、本专利技术所提出的基于幅度调制和/或极化调制的由所述可调超构表面构成的无线通信系统，可实时地、准确地实现无线通信，可传输如图片等内容。
附图说明
[0019]图1是本专利技术所提出的超构表面基本单元示意图。
[0020]图2(a)是本专利技术所提出的超构表面基本单元在y极化电磁波入射下二极管导通、截止时所对应的同极化方向的反射幅度的仿真结果图。
[0021]图2(b)是本专利技术所提出的超构表面基本单元在y极化电磁波入射下二极管导通、截止时所对应的交叉极化方向的反射幅度的仿真结果图。
[0022]图2(c)是本专利技术所提出的超构表面基本单元在y极化电磁波入射下二极管导通、截止时所对应的同极化方向的反射相位的仿真结果图。
[0023]图2(d)是本专利技术所提出的超构表面基本单元在y极化电磁波入射下二极管导通、截止时所对应的交叉极化方向的反射相位的仿真结果图。
[0024]图3是本专利技术分别在方波控制信号占空比为20％，50％和80％的条件下，基波和前三次谐波在同极化方向上反射幅度的理论值柱状图。
[0025]图4是本专利技术分别在方波控制信号占空比为20％，50％和80％的条件下，基波和前三次谐波在同极化方向上反射相位的理论值柱状图。
[0026]图5是本专利技术所提出的新型无线通信系统的结构框图。
具体实施方式
[0027]下面将结合附图和具体实施例对本专利技术作更进一步的说明。但应当理解的是，本专利技术可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本专利技术限制于所说明的具体实施例。
[0028]应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本专利技术范围内的另外的实施例。此外，本专利技术所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本专利技术的保护范围。
[0029]如图1所示，基本单元结构包括沿z轴自上而下的上层金属贴片层、上层介质层、中间层金属贴片层、下层介质层和下层金属贴片层构成；所述上层金属贴片层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种幅度和极化联合调控的时间编码超构表面，其特征在于，由n
×
n个基本单元在二维平面内周期延拓而成，整体电磁特性由外部控制电路实时调控；所述超构表面的基本单元结构包括自上而下的上层金属贴片层、上层介质层、中间层金属贴片层、下层介质层和下层金属贴片层构成；所述上层金属贴片层由沿着单元对角线方向的“工”字型金属贴片构成，该贴片被截断为两部分，且一个开关二极管加载在这两块不同尺寸的被截断的金属贴片之间；所述中间层金属贴片层为挖去圆型区域的与单元尺寸相等的方形金属贴片，且通过位于单元中心位置的实心金属过孔与上层金属贴片层中尺寸较大的金属贴片相连；下层金属贴片层由矩形金属贴片和一条金属窄带线构成，且通过空心金属过孔与上层金属贴片层中尺寸较小的金属贴片相连，所述金属窄带线将处于同一列(y方向)的单元相连。2.根据权利要求1所述的幅度和极化联合调控的时间编码超构表面，其特征在于，基本单元的上层金属贴片层沿对角线呈对称结构，从而令其在x极化或y极化电磁波入射时的电磁响应完全一致。3.根据权利要求1所述的幅度和极化联合调控的时间编码超构表面，其特征在于，通过外部控制电路令基本单元内开关二极管导通时，基本单元将入射...

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