一种2比特相位可调控的有源双极化超表面制造技术

本发明专利技术提供了一种2比特相位可调控的有源双极化超表面，旨在解决现有有源超表面工作效率低、调控状态少和极化敏感等问题。本发明专利技术由上到下包括有源层、第一介质层、反射层、第二介质层和馈电层；有源层是由金属贴片、电感和开关二极管元件组成，焊接于金属贴片的缝隙处；反射层基本由金属覆盖。馈电层提供两个独立的馈电电路，可加载直流电压，调控超表面的工作状态。金属化过孔从有源层的金属贴片连接到馈电电路，在介质层和反射层都留有相应孔隙。该有源超表面具有极化不敏感性，展现了高效率的2比特相位调控特性，即各状态电磁响应呈现的相位差为90

【技术实现步骤摘要】
一种2比特相位可调控的有源双极化超表面


[0001]本专利技术属于人工电磁超材料领域，具体涉及一种2比特相位可调控的有源双极化超表面。

技术介绍

[0002]有源超表面能够实现对电磁波多维度的动态调控，包含频谱、相位、幅度、极化等。这种对电磁波强大的调控能力引起了科学界的广泛关注，有望被应用于新一代通信系统、雷达系统、成像系统和隐身设计。
[0003]针对微波频段的有源超表面设计，通常是在超表面内部加载开关二极管、变容二极管、或液晶等有源器件来实现可调控功能。其中，集成开关二极管的有源超表面是优势最为明显的设计方式，具有高效率、高截止频率、超快的响应速度、简易的控制电路、易于大规模集成和低成本等特点。然而，开关二极管仅有两个可切换的工作状态，这限制了有源超表面可切换的维度和状态数量。目前，大多数基于开关二极管的有源超表面设计，集中在单极化的1比特相位可调控设计，单极化的2比特相位可调控设计，以及双极化的1比特相位可调控设计。1比特指有2种调控状态，2比特指有4种调控状态。在具体应用中，单极化设计使超表面有极化敏感特性，只能对单一极化波实现有效的调控；相位调控的状态限制会导致实际相位补偿与理论值有较大差异。这使得超表面的再辐射场难以被有效且精确的控制，进一步降低系统整体效率，增加固有损耗，难以满足实际应用需求。
[0004]因此，从应用角度出发亟需探索一种基于开关二极管的双极化多比特相位可调控有源超表面设计方案，提高有源超表面在多种应用场景下的性能。

技术实现思路
：
[0005]专利技术目的：本专利技术旨在提供了一种2比特相位可调控的双极化有源超表面，改善有源设计中极化敏感、相位调控状态少的问题。
[0006]技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供的一种2比特相位可调控的有源双极化超表面，是一种多层的周期性有源超表面结构，由上至下包括有源层、第一介质层、反射层、第二介质层和馈电层。结构中的金属化过孔依次通过第一介质层、反射层和第二介质层，连接有源层和馈电层的部分金属贴片。
[0007]所述有源层的单元结构呈中心轴对称分布，包括中心区域、外环区域以及四个结构相同的连接区域，四个连接区域绕着单元的中心旋转90
°
、180
°
、270
°
能完全重合；每个连接区域包括第一至第四金属贴片，第一至第四金属贴片依次通过开关二极管循环相连；第一金属贴片通过电感与中心区域相连，第二、第四金属贴片通过电感与外环区域相连，第三金属贴片通过金属条带、电感以及金属化过孔连接到馈电层，单元结构的中心区域通过金属化过孔连接到馈电层；通过馈电层加载馈电电压控制开关二极管的工作状态，实现对超表面四种状态的调控。
[0008]具体地，超表面四种状态调控方式是：第一金属贴片直接相连的两个开关二极管
通断状态相同，通断状态记为A；第三金属贴片直接相连的两个开关二极管通断状态相同，通断状态记为B；A和B两组通断状态互不影响；A和B同时断开，一个导通一个断开，同时导通对应超表面四种状态。
[0009]作为优选，所述有源层的单元结构为方形，单元结构的中心区域是斜置45
°
的十字形金属贴片，中心有金属化过孔，四端分别通过四个电感连接四个连接区域；单元结构的外环区域是方环形，与边界相接，用于开关二极管馈电的共阳极或共阴极。
[0010]作为优选，每个连接区域中的第一至第四金属贴片为四个开口方环，开口都朝向内部，中间斜置45
°
哑铃形金属贴片；哑铃形金属贴片在靠近单元中心一侧连接金属化过孔，并焊接有一个电感，另一侧通过电感与第三金属贴片相连。
[0011]作为优选，所述反射层的一个单元结构中，由金属覆盖，在金属化过孔位置分布有圆形孔隙，直径大于金属化过孔直径。
[0012]作为优选，所述馈电层的一个单元结构中，中心的金属化过孔连接中心金属贴片；四周的四个金属化过孔分别通过金属条带连接到中心金属贴片外侧的金属环上；一个单元结构有两路馈电电路，实现对单元四种状态的独立馈电。
[0013]作为优选，中心金属贴片通过接电感或零欧姆电阻跨接金属环，连接到外侧金属馈电线；四周的金属化过孔位置的金属贴片上任一点连接金属馈电线；金属馈电线位置相互错开，实现对每个超表面单元和状态的独立馈电。
[0014]有益效果：通过调控有源层开关二极管的工作状态，使得超表面单元在设计频带和双极化状态下呈现四种相位状态依次相差90
°
的电磁响应，从而实现2比特反射相位的动态调控。与现有技术相比，本专利技术提供的2比特相位可调控的双极化有源超表面具有如下优点：1、通过严格的对称性设计，降低了交叉极化的产生，进一步有效实现了对任意极化电磁波的调控。2、多个二极管的组合，产生4种等效电磁结构，实现了2比特反射相位，能够满足在多种应用场景下，对任意来波的再辐射场实现精确和高质量的实时控制，如单波束、多波束和涡旋波等复杂调控。3、本专利技术若应用于通信、雷达或成像系统中，能有效提高系统信噪比，降低系统损耗。4、本专利技术可用常规的印刷电路板和贴片工艺加工，易于加工制造。5、本专利技术针对不同的工作频段，等比例缩放或适当调整本专利技术所提出结构的关键参数，可灵活设计。
附图说明
[0015]图1是本专利技术实施例中超表面单元三维结构示意图。
[0016]图2是本专利技术实施例中超表面单元侧视结构示意图。
[0017]图3是本专利技术实施例中有源层平面结构示意图。
[0018]图4是本专利技术实施例中反射层平面结构示意图。
[0019]图5是本专利技术实施例中馈电层平面结构示意图。
[0020]图6是本专利技术实施例中2比特相位可调控的双极化有源超表面，TE极化电磁波法向入射时4种状态对应的反射幅度图。
[0021]图7是本专利技术实施例中2比特相位可调控的双极化有源超表面，TM极化电磁波法向入射时4种状态对应的反射幅度图。
[0022]图8是本专利技术实施例中2比特相位可调控的双极化有源超表面，TE极化电磁波法向
入射时4种状态对应的反射相位图。
[0023]图9是本专利技术实施例中2比特相位可调控的双极化有源超表面，TM极化电磁波法向入射时4种状态对应的反射相位图。
[0024]图标：1:有源层；2:反射层；3:馈电层；4:第一介质层；5:第二介质层；L1～L8:电感；P1～P4:开关二极管；T1、T2:馈电线。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施方案对本专利技术的技术方案作进一步详细地说明。
[0026]如图1和2所示，是2比特相位可调控的双极化有源超表面单元三维示意图和侧视图，本实例包含有源层、反射层、馈电层、介质层。沿z轴从上到下分别是有源层、第一介质层、反射层、第二介质层和馈电层。整体结构以单元为基本元素，自由进行周期性复制延拓，根据应用场景，自由选择整体结构的大小。
[0027]有源层的一个结构单元中，在第一介质层上表面刻蚀有金属贴片，在一些金属贴片的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种2比特相位可调控的有源双极化超表面，其特征在于，由上至下包括有源层、第一介质层、反射层、第二介质层和馈电层；所述有源层的单元结构呈中心轴对称分布，包括中心区域、外环区域以及四个结构相同的连接区域，四个连接区域绕着单元的中心旋转90
°
、180
°
、270
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能完全重合；每个连接区域包括第一至第四金属贴片，第一至第四金属贴片依次通过开关二极管循环相连；第一金属贴片通过电感与中心区域相连，第二、第四金属贴片通过电感与外环区域相连，第三金属贴片通过金属条带、电感以及金属化过孔连接到馈电层，单元结构的中心区域通过金属化过孔连接到馈电层；通过馈电层加载馈电电压控制开关二极管的工作状态，实现对超表面四种状态的调控。2.根据权利要求1所述的2比特相位可调控的有源双极化超表面，其特征在于，第一金属贴片直接相连的两个开关二极管通断状态相同，通断状态记为A；第三金属贴片直接相连的两个开关二极管通断状态相同，通断状态记为B；A和B两组通断状态互不影响；A和B同时断开，一个导通一个断开，同时导通对应超表面四种状态。3.根据权利要求1所述的2比特相位可调控的有源双极化超表面，其特征在于，所述有源层的单元结构为方形，单元结构的中心区域是斜置45
°
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵俊明，段坤，陈克，樊晨禧，冯一军，姜田，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：