一种阻抗可调超表面及其反射、透射及吸收动态切换方法与流程

本发明涉及超表面领域，具体涉及一种阻抗可调超表面及其反射、透射及吸收动态切换方法。

背景技术：

超表面是亚波长厚度的具有特定电磁特性的二维人工电磁材料，具有强大的控制电磁波的能力，并且可以大面积、低成本制造。近年来，无源超表面蓬勃发展，但是器件加工后功能无法改变，从而限制了其更丰富的应用场景。通过集成有源元件，可以进一步构建功能动态可调的有源超表面。

由于实践中许多不同的应用要求，一种阻抗动态可调的器件能够适应各种变化的应用场景。例如，在电磁波滤波器或雷达天线罩相关的应用中，一种设备既可以充当理想的滤波器，也可以充当完美的吸收器，其功能和工作频率能够动态调控，那么这种可调设备将会大显身手。但是，到目前为止，大多数实现的可调超表面都是基于相对容易设计的反射体系结构，因为在这样的系统中仅存在两个通道用于电磁波的辐射或消散(即反射端口和吸收端口)。相反，很少看到透射体系下的高性能可调超表面，更不用说那些阻抗动态可调，且能够实现完全吸收、完全反射和完全透射之间的动态切换的可调超表面。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可实现阻抗动态调控的可调超表面，另外还提供了一种可调超表面实现阻抗动态调控的调控方法。

为了达到上述的目的，本发明提供一种阻抗可调超表面，由若干个相同的可调单元组成，所述可调单元为三层结构，由上层、中间层和下层组成，分别为金属层、介质层、金属层；所述上层和下层设置在中间层两侧，并分别设有能由电压独立控制的有源元器件，有源元器件两端相连的金属片上设置了偏置线。

上述一种阻抗可调超表面，其中，所述中间层为一介质片，所述上层包括两个相同的第一金属片，第一金属片位于介质片的上方，所述下层包括一个第二金属片以及两个相同的第三金属片，第二金属片和第三金属片位于介质片的下方。

上述一种阻抗可调超表面，其中，所述有源元器件为变容二极管。

上述一种阻抗可调超表面，其中，所述变容二极管设置在介质片的上方或下方，位于两个第一金属片之间或第二金属片和第三金属片之间，与两个第一金属片或第二金属片和第三金属片连接。

上述一种阻抗可调超表面，其中，所述两个第一金属片或第二金属片和第三金属片上各增加一条偏置线，能为变容二极管提供偏置电压。

上述一种阻抗可调超表面，其中，所述第一金属片、第二金属片和第三金属片由铜制成。

上述一种阻抗可调超表面，其中，所述介质片由fr-4制成。

上述一种阻抗可调超表面，其中，所述可调超表面为三层透射体系结构，能实现阻抗的动态调控；所述可调超表面能实现完全吸收、完全反射和完全透射的动态切换。

一种阻抗可调超表面的反射、透射及吸收动态切换方法，通过分别独立控制可调超表面两侧的有源元器件的偏置电压来实现可调超表面阻抗的动态调控，并能够实现完全吸收、完全反射和完全透射之间的动态切换。

上述一种阻抗可调超表面的反射、透射及吸收动态切换方法，通过将两个变容二极管分别连接两个不同的电源，独立控制两个变容二极管上的电压大小，来独立控制两个变容二极管的电容，从而实现可调超表面阻抗的动态调控，以及完全吸收、完全反射和完全透射之间的动态切换。

与现有技术相比，本发明的技术有益效果是：

通过独立控制可调超表面两侧的有源元器件的偏置电压，本发明可实现阻抗动态可调的超表面，并且还可实现完全吸收、完全反射和完全透射之间的动态切换。本发明提供的超表面结构简单，给阻抗调控提供了很大的自由度，在智能天线罩或其他智能电磁器件方面有广阔的应用前景。

附图说明

本发明的一种阻抗可调超表面及其反射、透射及吸收动态切换方法由以下的实施例及附图给出。

图1为可调超表面的三维层次结构示意图；

图2为可调超表面单元的顶视图；

图3为可调超表面单元的底视图；

图4为可调超表面单元中变容二极管的等效电路图；

图5为施加不同偏置电压时可调超表面的仿真及耦合模拟合结果，其中(a)-(f)为通过仿真(符号)和耦合模拟合(实线)获得的，不同变容二极管等效电容时的透射系数和反射系数，(h)-(g)分别为耦合模理论得到的吸收率、反射率和透射率随变容二极管电容变化图；

图6为可调超表面阻抗随变容二极管电容变化图；

附图标记：上层100；中间层200；下层300；第一金属片110；第二金属片310；第三金属片320；变容二极管400；偏置线500。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的一种阻抗可调超表面及其反射、透射及吸收动态切换方法作进一步的详细描述。

本发明提供了一种阻抗可调超表面，其为三层透射体系结构，可进行阻抗的动态调控，以及完全吸收、完全反射和完全透射的动态切换。

可调超表面具体由若干个相同的可调单元组成，每个可调单元都可进行阻抗的动态调控，这样可根据实际需求，通过选择对应个数的可调单元来拼接成对应尺寸的可调超表面，从而满足各种尺寸需求，提高使用范围。

参见图1至图3，透射体系结构的可调单元为三层结构，由上层100、中间层200和下层300组成，上层100和下层300设置在中间层200两侧，上层100和下层300上分别设有可独立控制电压的有源元器件400，有源元器件400两端相连的金属片上设置了偏置线500。

基于上述可调超表面，本发明还提供了一种动态切换方法，其包括：

通过分别控制上层100和下层300上的有源元器件400的电容，实现阻抗的动态调控，以及完全吸收、完全反射和完全透射的动态切换。

下面是本申请的一个具体应用实例：

参见图1至图3，可调单元的中间层200为一矩形状的介质片。上层100包括两个相同的第一金属片110，两个第二金属片110对称且不接触的设置在中间层200的上表面。下层300包括第二金属片310和两个相同的第三金属片320，第二金属片310居中设置在中间层200的下表面，两个第三金属片320对称且不接触的设置在中间层200的下表面。

有源元器件400为变容二极管，变容二极管设置在介质片200的上表面或下表面，且位于两个第一金属片110或第二金属片310和第三金属片320之间，且变容二极管的两个引脚分别与两侧的金属片连接，在两侧的金属片上设置有偏置线500提供偏置电压。

上述第一金属片110、第二金属片310、第三金属片320和偏置线500都由铜制成，介质片由fr-4制成。

通过将两个变容二极管分别连接两个不同的电源，独立控制两个变容二极管上的电压大小，来独立控制两个变容二极管的电容，从而实现可调超表面阻抗的动态调控，以及完全吸收、完全反射和完全透射之间的动态切换。

具体优化后的参数如下p＝14.5mm，l1＝6mm，w1＝10mm，l2＝6.05mm，w2＝11.5mm，l3＝3.025mm，w3＝13mm，d＝1.2mm，b＝0.2mm。中间介质层使用的材料为fr-4，介电常数为4.3，厚度为1.5mm。变容二极管的等效电路由电阻(r)、电感(l)和电容(c)组成(参见图4)，在仿真中将r设置为0.9ω，l设置为0.45nh。图5(a)-(f)是不同电容组合时可调超表面的反射系数和透射系数。当加载在上层100的变容二极管的电容(c1)为0.4pf，加载在下层300的变容二极管的电容(c2)为0.6pf时，超表面在4.72ghz处达到最大的吸收率；当c1＝2pf，c2＝2.2pf时，超表面在4.72ghz为完全透射状态；当c1保持2pf不变，c2变为0.4pf时，超表面为完全反射状态。随着电容的持续变化，能够明显看到透射系数和反射系数的变化。

根据二端口z参数与s参数的转换关系可以得到超表面相对的输入阻抗，阻抗随电容的变化如图6所示，相对阻抗变化的范围在0.018-3.588之间。通过控制电容的大小，可实现阻抗的动态调控。图中标注了相对阻抗在0.5-2之间的范围，说明在此区域能够实现较好的阻抗匹配，可以达到透射或吸收的效果。在这之外的区域，阻抗失配严重，可以达到完全反射的效果。

以上内容描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。但应注意，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。