一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面

本发明属于新型人工电磁材料领域，一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面。

背景技术：

近几十年来，超材料作为一种可以任意控制电磁波传输路径的人造材料受到了广泛的关注。已经报道了许多基于超材料的新奇样品，例如负折射，完美镜片，隐形斗篷等。然而，超材料通常体积庞大，具有制造复杂，损耗高和分散性强的缺点。自2011年以来，已经提出了超表面，可以通过将亚波长散射体设置为二维(2d)模式将其视为平面超材料。与传统的体积大的超材料相比，超表面具有低轮廓，低损耗和易于制造的优点，并且还具有强大的电磁波处理能力。在微波频带中，超表面被广泛用于操纵极化状态，产生涡旋光束，实现高指向性天线和增强吸收。

通常，超表面可以分为两种类型：透射和反射。但是，常规的超表面通常只能在反射状态或透射状态中工作，并且仅具有单一功能。最近，在微波和光学波段中都提出了一些多功能的超表面，它们对不同的偏振波具有不同的功能。但是，一旦完成设计，这些超表面的功能将无法更改。

编码超材料，它在物理世界和数字信息世界之间架起了一座桥梁，近年来受到了极大的关注。通过将有源组件加载到单元结构中，可以实现数字编码超材料，它具有实时处理电磁波和处理数字信息的强大功能。但是，由于易于设计和制造，大多数数字编码超表面都是反射型的。最近一些对于反射和透射波的进行调控超表面也被提出来，但这些结构往往反射或者透射功能固定，或者只能工作在单一极化波中，并不能真正的全空间调控电磁波。

技术实现要素：

技术问题：为了克服上述难题，本发明提供一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面。通过调控加载单元缝隙上的开关二极管的偏置电压，可实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。

技术方案：本发明的一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面由两层双面的结构单元在空间上周期排布构成，第一层用来控制反射的振幅和相位，称为振幅-相位控制层，第二层用于控制反射和透射波的振幅，称为反射-透射控制层；在每一层介质基板的正反两面，正面横向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，反面纵向排列的相邻两结构单元之间由一个开关二极管连接，通过直流稳压源能够为开关二极管提供不同的偏置电压，使其处于不同的工作状态。从而实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。

其中，所述的两层结构单元中，第一层和第二层的结构单元形状不同，但每层正反两面的结构单元形状大小一致，都为双面金属涂层结构且正反的排列结构互相正交，其中每层的正面和背面金属单元结构分别用于控制x极化波和y极化波。

所述两层双面的结构单元的上下两层相互独立，又相互协同工作；当反射-透射控制层处于关闭状态，该表面可以通过控制振幅-相位层，实现全反射和全吸收；当反射-透射控制层处于全反射状态，通过实时改变编码的相位，对反射波进行波束调制；当振幅-相位层处于打开状态，通过控制反射-透射控制层，调控透射波的幅度。

所述的介质基板厚度尽量薄，达到降低介质基板所带来的的介质损耗，增加透射率的效果。

所述多功能超表面，在可编程调控反射波情况下，单元结构呈现对电磁波反射相位差180度的两种不同电磁响应，两种不同的电磁响应用二进制数字“0”和“1”来表示。

所述开关二极管是采用表面贴装技术焊接在结构单元的金属贴片缝隙之间的。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.本发明中的可重构多功能超表面可以调控全空间电磁波，实现全透射、全吸收、全反射实时切换，并且在全反射时，通过给与不同的可编程序列实时调控反射波。

2.本发明中的可重构多功能超表面具有同时独立控制水平极化波和垂直极化波的能力。

3.本发明中的可重构多功能超表面可应用在智能隐身天线罩。

附图说明

图1a是可重构多功能超表面原理示意图，右上小图为单元结构图，右下小图为二极管等效模型；

图1b是当振幅/相位层处于打开状态，通过控制反射-透射控制层，可以不断调控反射波和透射波的幅度；

图1c是反射-透射控制层处于关闭状态，通过控制振幅/相位层，可以实现全反射和全吸收；

图1d是反射-透射控制层处于关闭状态，通过实时改变编码的相位，可以对反射波进行波束调制；

图2a入射波为在x极化波的仿真结果；

图2b入射波为在y极化波的仿真结果；

图3a入射波为在x极化波的仿真结果；

图3b入射波为在y极化波的仿真结果；

图4a是反射能量；

图4b是反射相位；

图5a是编码序列为00000000000000000000在x极化波入射下，三维远场辐射图

图5b是编码序列为00001111000011110000在x极化波入射下，三维远场辐射图

图5c是编码序列为01110001011000001001在x极化波入射下，三维远场辐射图

图5d是编码序列为00000000000000000000在y极化波入射下，三维远场辐射图

图5e是编码序列为00001111000011110000在y极化波入射下，三维远场辐射图

图5f是编码序列为01110001011000001001在y极化波入射下，三维远场辐射图

图5g是在x极化波入射下，二维远场辐射图；

图5h是在y极化波入射下，二维远场辐射图；

图6a是测试环境图；

图6b是振幅/相位层正面图；

图6c是振幅/相位层背面图；

图6d是反射-透射控制层正面图；

图6e是反射-透射控制层背面图；

图7a入射波为在x极化波的实验结果；

图7b入射波为在y极化波的实验结果；

图8a是远场测试环境图；

图8b是9.5ghz下，二维远场方向图；

图8c是10ghz下，二维远场方向图；

图8d是10.5ghz下，二维远场方向图；

图8e是11ghz下，二维远场方向图；

图8f是11.5ghz下，二维远场方向图；

图9a是当天线正在工作，振幅/相位层和反射-透射控制层打开，超表面对于电磁波来说是透明的；

图9b是当天线正在不工作，反射-透射控制层关闭，控制振幅/相位层实现对电磁波的吸波和反射，从而对于雷达检测波来说，天线是不可见的；

图9c是测试环境图；

图10a是天线e面二维远场图；

图10b是天线h面二维远场图。

具体实施方式

本发明的一种具有电磁波全空间调控能力的可重构多功能超表面，该超表面由两层结构构成，第一层用来控制反射的振幅和相位，称为振幅/相位控制层，第二层用于控制反射和透射波的振幅，称为反射-透射控制层。每一层都加载了一系列开关二极管，通过直流稳压源能够为开关二极管提供不同的偏置电压，使其处于不同的工作状态。从而实现全透射、全吸收、全反射和可编程调控反射波的实时切换。

每一层单元的正面和反面结构中心对称，单元周期排布，通过直流稳压源控制开关二极管。超表面单元的上下两层相互独立，又相互协同工作。当反射-透射控制层处于关闭状态，该表面可以通过控制振幅/相位层，实现全反射和全吸收，特别值得注意的一点是，当处于全反射状态，通过实时改变编码的相位，可以对反射波进行波束调制。当振幅/相位层处于打开状态，通过控制反射-透射控制层，可以调控透射波的幅度。本发明的全空间调控能力的可重构多功能超表面在智能隐身天线罩上具有潜在的运用。

图1a可重构多功能超表面的示意图，该超表面由一个装有开关二极管的幅度/相位控制层和反射-透射控制层组成，分别由v1和v2的偏置电压控制。幅度-相位控制层和反射-透射控制层的介质基板都为f4b，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，厚度为ts＝0.508毫米。金属涂层是厚度为0.018毫米的铜。其中一个单元结构显示在图1(a)的右上角。幅度-相位控制层和反射-透射控制层都是双面金属涂层结构，其中每层的正面和背面金属单元结构分别用于控制x极化波和y极化波。因此，超表面具有独立控制x极化波和y极化波的能力。单位的周期为a＝15.2mm，幅度/相位控制层和反射-透射控制层之间的间隙为h＝10mm，单位中显示的其他参数为b＝10.6mm，c＝3.1mm，d＝4mm，e＝3.05mm，f＝6.1mm和g＝1.5mm。在单元的铜涂层缝隙上加载了一系列开关二极管(skyworkssmp1321-040lf)，图1a的右下角显示了具有不同工作状态的开关二极管的等效电路图。当开关二极管导通(或截止)时，它们的有效电路是固定电感和固定电阻(或电容)的级联。但是，当开关二极管在处于导通和关闭的中间状态，即在非线性区域工作时，它们的有效电路将是固定电容和可变电阻的并联电路，其中可变电阻的电阻由偏置电压控制。因此，单元的电磁响应将受到加载了不同偏置电压的开关二极管的影响，从而使超表面具有不同的功能。

假设入射的平面波沿-z方向，即从超表面的左侧入射，如图1a所示。当幅度/相位控制层和反射-透射控制层都处于导通状态时，加载的开关二极管等效于一个小电阻和一个小电感的级联，每层上的所有金属贴片都连接在一起以形成电感等效电路，因此超表面表现出通带特性，对于电磁波波来说是完全透明的。保持幅度/相位控制层工作在导通状态，同时将反射-透射控制层从导通逐渐控制到关闭状态，反射-透射控制层上加载的开关二极管等效于小电容和可变电阻的并联，其中电阻变得越来越大由于开关二极管的工作状态逐渐从导通变为关断，因此，这些电阻将耗散电磁波波的能量。但是，当开关二极管完全处于关闭状态时，它们等效于一个电感和一个电容的级联，通过反射-透射控制层上的开关二极管连接的所有金属贴片都被切断，以形成一个电容等效电路，从而使超表面呈现出阻带特性，可以有效地反射入射波。因此，如图1b所示，当将反射-透射控制层逐渐控制状态从导通变为关闭时，可以连续调控入射波从全透射到全反射。

此外，保持反射-透射控制层在关闭状态下工作，同时将幅度/相位控制层从导通逐渐控制到关闭状态，由于加载在幅度/相位控制层上的等效可变电阻的能量耗散，入射波可以实现全反射和完美吸收之间的连续调制，如图1c所示。特别是，当幅度-相位控制层在导通和关闭状态下工作时，入射波都被超表面完全反射，但是反射波之间存在180°的相位差，这是由于处于导通和关闭状态的反射-透射控制层上安装的开关二极管的等效电路变化引起的。因此，根据以往数字编码超材料的知识，可以进一步实时地操纵反射波，如图1d所示。

图2显示了当幅度/相位控制层工作在导通状态且反射-透射控制层从导通到关闭状态连续控制时的仿真结果。值得一提的是，我们从官方网站上获得基于偏置电流的开关二极管的对应数据，因此，通过开关二极管流过的偏置电流用于仿真，而不是实验中使用的偏置电压，来控制开关二极管的状态，其中0ma表示开关二极管为关闭，5ma表示开关二极管为导通，其他情况是0ma和5ma之间的电流表示开关二极管处于中间状态在关闭和导通之间。仿真结果表明，当反射-透射控制层工作在导通状态(i＝5ma)时，金属表面对于电磁波是完全透明的，当反射-透射控制层工作状态时，透射率逐渐降低，反射率随着吸收率的降低而逐渐增加。逐渐从导通(i＝5ma)变为关闭(i＝0)。直到开关二极管在关闭(i＝0)工作之前，入射波会以极小的透射率和吸收率被完全反射。仿真结果表明，当幅度/相位控制层处于导通状态时，通过改变反射-透射控制层上开关二极管的工作状态，可以连续调制发射和反射波的强度。图2a和2b所示的结果表明，超表面可以分别独立有效地操纵x极化波和y极化波。

图3显示了当反射-透射控制层工作在关闭状态并且幅度/相位控制层从导通连续控制到关闭状态时的仿真结果。仿真结果表明，在这种情况下，透射率始终较低，表明波不能通过超表面，这与上述讨论是一致的。特别是，当幅度/相位控制层在导通(i＝5ma)和关闭(i＝0)状态下工作时，可以实现全反射。但是，当将幅度/相位控制层控制在导通和关闭之间的中间状态时，可以控制电磁波的能量以在反射和吸收之间转换。当i＝20ua时出现最大吸收，对于x极化波和y极化波，吸收率分别接近11.2ghz和10.75ghz。仿真结果证明，当反射-透射控制层处于关闭状态时，通过控制幅度/相位控制层的工作状态，可以在反射和吸收之间任意转换电磁波的能量。

图4a显示，当反射-透射控制层工作在关闭状态并且幅度/相位控制层工作在导通状态或关闭状态时，可以实现单元结构的全反射。但是，当幅度/相位控制层在9.5ghz至11.5ghz的宽带宽内在导通和关闭状态之间切换时，会有180°的反射相位差，如图4b所示。而且，超表面对x极化波和y极化波具有相似的响应。因此，通过改变超表面的相位编码顺序，可以进一步实时地操纵反射波。我们注意到，开关二极管在导通和关闭状态下工作的单元结构分别被编码为数字“0”和“1”。

图5显示了具有不同编码序列的20×20超表面的仿真远场辐射图，其中图5a-图5c和图5d-图5f分别是x极化波和y极化波的三维(3d)远场辐射图。幅度/相位控制层的单元沿y方向按行编码，可用于通过更改编码顺序实时控制x极化波。同样，幅度/相位控制层背面的单位单元沿x方向按列编码，可用于实时控制y极化波。幅度/相位控制层正面的每行单元格和背面的每列单元格均被独立编码。如图5a和图5d所示，当将编码序列编程为000000000000000000000时，所有入射波将被均匀反射以形成法线方向的笔状远场辐射方向图。当编码序列切换为00001111000011110000时，反射波被分离为两个对称光束，反向散射rcs(雷达横截面)减小了-3db，如图5b和图5e所示。另外，为了达到较低的后向rcs效果，将编码序列编程为01110001011000001001的随机序列，反射波将进一步扩散以实现更低的后向rcs，如图5c和图5f所示。图5g和图5h分别显示了极坐标中不同编码序列下x和y极化波的二维(2d)远场图，清楚地表明了当编码序列趋向于越来越随机时，反向rcs的扩散越来越明显。

图6a所示，设计、制作和测试了可重构多功能超表面。建造了一个小型微波暗室来测量超表面的s参数。图6b和图6b分别显示了幅度/相位控制层和反射-透射控制层的正视图照片。单元沿x方向串联，并且每行中每两个相邻的单位单元通过开关二极管连接。独立的偏置电压用于控制每行中的开关二极管，然后可以通过这些行控制的偏置电压通过更改编码顺序来控制x极化波。同样，幅度/相位控制层和反射-透射控制层背面的单位单元沿y方向串联，并且每列中的开关二极管由偏置电压独立控制，如图6c和图6e所示，相应地，则可以通过这些列控制的偏置电压通过改变编码顺序来控制y极化波。因此，超表面具有分别通过行和列控制的偏置电压独立控制x极化波和y极化波的能力。另外，由于超表面具有用于控制x极化波和y极化波的相似特性，因此在以下实验中仅测量x极化波。

图7a显示了当幅度/相位控制层工作在导通(v1＝17v)状态且反射-透射控制层由偏置电压控制的过程(从v2＝31.5v(导通)逐渐变化到0时，电磁波的透射，反射和吸收的测量结果。值得一提的是，每列或每行反射-透射控制层上串联开关二极管的数量是幅度/相位控制层上串联开关二极管的两倍，因此反射-透射控制层上加载的总电压应约为幅度/相位控制层上的两倍。反射-透射控制层上的开关二极管可以与幅度/相位控制层上的开关二极管处于相同状态。测量结果表明，当偏置电压(v2)从31.5v(导通)逐渐变为0(关闭)时，在9.5ghz至11.5ghz频带内透射率逐渐降低，反射率逐渐增加。与图2所示的仿真结果非常吻合。特别是，当v2＝31.5v(导通)和0(关闭)时，可以实现总的透射和反射。图7b显示了反射-透射控制层工作在关闭状态(v2＝0)且幅度/相位控制层由偏置电压控制的偏置结果，该偏置电压从v1＝17v(导通)逐渐变化到0(关闭)。测量结果表明，当v1从17v降低到0时，反射率先降低然后增加，而吸收率先增加然后降低，这与图3所示的仿真结果非常吻合。当幅度/相位控制层工作在导通状态(v1＝17v)或关闭状态(v1＝0)时，可以在9.5ghz至11.5ghz范围内实现全反射，而当v1处于10.7ghz时，最大吸收率(a＝0.9855)出现＝12v。

图8a示出了微波消声室中的测量系统，用于测量具有不同编码序列的反射的远场辐射图。将超表面放置在旋转平台上，将标准x波段矩形喇叭天线放置在距超表面1m处作为发射源，以产生入射平面波。在微波消声室的另一侧，还有另一个标准的x波段矩形喇叭天线用作接收器，距离旋转平台约10m。因此，可以通过控制旋转平台水平旋转来获得超表面的远场辐射方向图。图8b-图8f显示了当将编码序列分别编程为00001111000011110000和01110001011000001001时，在不同频率下测得的超表面远场辐射方向图。对于00001111000011110000的编码序列，观察到两个对称的辐射束，但是当将编码序列切换为01110001011000001001的随机序列时，可以实现多束远场辐射方向图，从而获得更低的后向rcs，具有良好的后向rcs。与图5所示的仿真结果吻合。应该指出的是，我们未测量编码序列000000000000000000000的远场辐射方向图，这是因为垂直反射的性能受到馈源的阻挡的严重影响。

图9所示的是可重构超表面的一种可能应用是将隐形天线罩放置在天线前面。当天线工作时(如图9a所示)，反射-透射控制层和幅度/相位控制层均被控制为在导通状态下工作，通过分别施加v1＝17v和v2＝31.5v的偏置电压，超表面对于电磁波是完全透明的，因此天线可以正常工作。但是，如图9b所示，当天线不工作时，可以将反射-透射控制层切换为关闭状态，而如果将幅度/相位控制层的偏置电压控制为v1＝12v，在10.5ghz时，超表面具有较高的吸收效率，如图7b所示。因此，可以完全吸收来自超表面天线罩另一侧的入射检测波，从而使天线对雷达隐身。此外，如果给予幅度/相位控制层01110001011000001001的随机编码序列，则可以打散来自超表面天线罩另一侧的入射检测波，以实现较低的后向rcs，如图8所示，这也可以使天线隐身。从10至11ghz的雷达。为了显示天线罩对天线的影响，在实验中使用了x波段超材料透镜天线作为测试天线，如图所示。参见图9c，其测量的有或没有超表面天线罩的远场辐射方向如图10所示。结果表明，应用透明超表面天线罩后，天线的性能几乎不受影响，只是降低了约2-3db。

以上所述仅是本发明的具体实现方案，该设计思路清晰，超表面结构为双层有源设计，互相影响，又互相独立控制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。