【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超表面单元和超表面控制系统及控制方法。
技术介绍
1、在过去的几十年里，超表面或超材料越来越受到研究人员的关注。超表面通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料不具备的超常物理性质。超表面涉及众多学科领域，如物理、化学、光电子学、材料科学、半导体科学以及装备制造等，是全球前沿的研究课题。
2、超材料一开始是三维结构的超材料，虽然其拥有自然界中不存在的物理特性，但由于其结构复杂制作不易，后面又发展出了平面超材料。作为超材料的二维版本，超表面通过沿平面引入相位突变或振幅不连续，提供了一种简单的电磁波操控方法，可以调控电磁波的反射波的相位和幅度，并通过重构超表面上面的单元实现不同的功能。
3、超表面重构目前有3种，第一种是基于机械控制的重构超表面的方法，通过将超表面单元粘在转台或者是魔方的表面，转台旋转或者是魔方旋转进行重构超表面单元的位置，实现特定的功能。第二种是固定功能的超表面，先设计特定功能，然后得到超表面单元的排布顺序，然后再生产出来。第三种是使用有源调控的方式，即通过在超表面上面加装有源元件(二极管或三极管等)，通过改变加在有源元件上面的电压来实现在特定频段电磁波的调控。
4、上述前两种超表面所采用的调控方式手段都是固定的，即当超表面被制造出来的那一刻，它对特定频段的电磁波的响应就已经确定好了，这样就带来调控电磁波的不便捷性。往往为了实现电磁波的特定功能，将电磁超表面单元进行特定顺序排布，如此一来功能就只能固定了。目前也有将超表面单元一个个生产出来后再通过
技术实现思路
1、本专利技术为了克服现有超表面调控电磁波不便捷、只能针对特定频段进行响应等问题，而提供了一种超表面单元和超表面控制系统及控制方法。
2、本专利技术超表面单元包括6层，从上至下6层分别为第一铜层、第一聚丙烯层、环氧树脂层、第二铜层、第二聚丙烯层和第三铜层；
3、第一铜层由铜制超表面形状单元、两个电容和一个变容二极管连接而成；变容二极管位于第一铜层中央，两个电容分别位于变容二极管两侧；铜制超表面形状单元包括2条铜制圆弧和铜制直线；2条铜制圆弧、两个电容、一个变容二极管由铜制直线连接，以变容二极管为中心呈左右镜像对称；
4、超表面单元中设有第一铜柱和第二铜柱两个铜柱，第一铜柱贯穿第一聚丙烯层和环氧树脂层将第一铜层的铜制直线和第二铜层连接；第二铜柱贯穿第一聚丙烯层、环氧树脂层、第二铜层和第二聚丙烯层将第一铜层的铜制直线和第三铜层连接，第二铜柱与第二铜层之间绝缘；第一铜柱和第二铜柱分别设置于变容二极管左右两侧；
5、第三铜层为带状铜制线；
6、第二铜层和第三铜层之间由开关连接，构成直流偏置电路。
7、进一步的，第二铜层为完整平面，整体为铜。
8、进一步的，铜制超表面形状单元中圆弧的弧度为60度。
9、进一步的，所述开关为mos管开关。
10、本专利技术超表面控制系统，包括单片机、锁存器、译码器、和驱动电路组成；驱动电路包括上述超表面单元和电阻组成。
11、进一步的，所述锁存器为8位d锁存器。
12、进一步的，驱动电路采用阵列运放电路。
13、进一步的，超表面控制系统由1个单片机、4个译码器，32个8位d锁存器，256个驱动电路构成。
14、本专利技术上述超表面控制系统的控制方法，由超表面控制系统中的单片机一位位选译码器，输出编码数据，译码器接收到上述编码数据再选通对应的锁存器，再由上述锁存器输出对应的高/低电平给驱动电路，之后由驱动电路在超表面单元上输出电压，实现操控超表面单元对电磁波的幅值和相位的操控。
15、进一步的，驱动电路在超表面单元上输出的电压为20v或0v。
16、进一步的，单片机输出的编码数据为8位二进制编码数据。
17、本专利技术超表面单元具有有源元件(二极管)和无源元件(电容)，不仅可以通过改变施加在二极管上面的电容来实现电磁反射波的调控，而且还能通过改变电容的容值实现不同频段下的电磁反射波的相位调控。从而实现超表面便捷的调控电磁波，还能够克服只针对特定频段进行响应的缺陷。
18、本专利技术超表面单元中铜制超表面形状单元、两个电容和一个变容二极管共同一体使用。本专利技术不仅通过使用加在变容二极管上面的电压(0v或20v)来实现水平极化电磁波的幅度和相位的调控，还可以通过改变两个对称电容的容值来实现改变数控超表面的响应频段；同时得益于特殊的超表面结构和形状，对于圆极化电磁波的调控能做到调控圆极化发射电磁波的幅度的频移，实现数控频段的圆极化反射。本专利技术超表面单元对电磁波的响应可以通过电压进行灵活调节，且频段可调，同时不仅对水平极化有电磁波调控作用，还对圆极化电磁波有调控作用，无需再生产一个新超表面，也不需要对铜制超表面形状单元的形状进行改动即可实现不同的功能。
19、本专利技术根据所需调控相位的电磁波的频段去选择电容的容值，电容越大，对应的频段越高。例如容值0.4pf对应的频段为6.2ghz，每增加或减少0.1pf容值、频段响应相对频移0.2ghz左右。根据需要实现某种功能的时候，可计算出所需要的超表面的相位，然后再将相位进行二值化(即0度或180度)，再转化为二值化的结果，0度是编码0，180度是编码1，由此得到每一个超表面单元所需要的编码方式，然后使用单片机控制输出编码数据，再通过超表面控制系统中的译码器、锁存器在驱动电路的超表面单元的二极管上施加电压(如20v为编码1，0v为编码0)，进而实现对超表面的每一个单元进行编码。当电磁波入射的时候，已经编码完成的超表面就可以通过电磁响应，实现既定设计好的功能。
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1.超表面单元，超表面单元包括6层，从上至下6层分别为第一铜层(1)、第一聚丙烯层(2)、环氧树脂层(3)、第二铜层(4)、第二聚丙烯层(5)和第三铜层(6)；
2.超表面控制系统，其特征在于，该超表面控制系统包括单片机、锁存器、译码器、和驱动电路组成；驱动电路包括权利要求1所述超表面单元和电阻组成。
3.根据权利要求2所述的超表面控制系统，其特征在于，驱动电路采用阵列运放电路。
4.根据权利要求2所述的超表面控制系统，其特征在于，超表面控制系统由1个单片机、4个译码器，32个8位D锁存器，256个驱动电路构成。
5.权利要求2所述超表面控制系统的控制方法，其特征在于，由超表面控制系统中的单片机一位位选译码器，输出编码数据，译码器接收到上述编码数据再选通对应的锁存器，再由上述锁存器输出对应的高/低电平给驱动电路，之后由驱动电路在超表面单元上输出电压，实现操控超表面单元对电磁波的幅值和相位的操控。
6.根据权利要求5所述的超表面控制系统的控制方法，其特征在于，驱动电路在超表面单元上输出的电压为20V或0V。
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...【技术特征摘要】
1.超表面单元，超表面单元包括6层，从上至下6层分别为第一铜层(1)、第一聚丙烯层(2)、环氧树脂层(3)、第二铜层(4)、第二聚丙烯层(5)和第三铜层(6)；
2.超表面控制系统，其特征在于，该超表面控制系统包括单片机、锁存器、译码器、和驱动电路组成；驱动电路包括权利要求1所述超表面单元和电阻组成。
3.根据权利要求2所述的超表面控制系统，其特征在于，驱动电路采用阵列运放电路。
4.根据权利要求2所述的超表面控制系统，其特征在于，超表面控制系统由1个单片机、4个译码器，32个8位d锁存器，256个驱动电路...
【专利技术属性】
技术研发人员：张梦，林佳翰，袁正鑫，屈朵儿，陶锦政，李洛铖，张武，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：
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