[实用新型]一种微波段可编程1‑比特各向异性超表面

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种工作在微波段的可编程1-比特各向异性超表面。

背景技术

新型人工电磁材料，亦称电磁超表面(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期或非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超表面和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是它们对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振系统与外加电磁场的相互作用来体现的。电磁超表面从媒质的角度定义了电磁波的行为，为微波器件的设计提供了新的思路和方法。

Capasso等人在2011年提出了广义斯涅尔定律，该定理是描述超表面电磁特性的基本定律，考虑了电磁波在超表面反射或者透射时产生的相位不连续性以及随之产生的异常反射和异常折射行为。人们可以设计人工表面结构来人为控制这种相位不连续性，进而可以利用二维超表面调控空间波。达到任意控制反射波和折射波的目的。实现如涡旋波束和贝塞尔波束等，甚至可以设计随机的相位分布，使得入射波束被随机散射到各个方向，形成漫反射，从而有效降低目标的雷达散射截面积，实现隐身。

以上提到的超表面的单元都是各向同性的结构，即设计好的超表面的对于任意极化的入射电磁波都具有相同的功能，不能随入射电磁波的极化改变而发生变化。

实用新型内容

本实用新型提供了一种工作在微波段的可编程1-比特各向异性超表面，通过设计相应的各向异性编码矩阵，将其以直流开关电压的形式赋予超表面阵列中的每一个电可调各向异性编码单元，便可使得整个超表面在x极化和y极化垂直入射波的照射下呈现出不通的功能；通过改变其输入的各向异性编码矩阵可以实时地切换整个超表面的功能。

为了实现上述功能，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：

一种微波段可编程1-比特各向异性超表面，由多个电可调的各向异性编码单元在二维平面上周期排列构成，每个电可调的各向异性编码单元主要由五层结构构成，从上至下依次是上层金属图案、上层介质层、中层金属图案、下层介质层和金属地；

所述上层金属图案和中层金属图案中各设置有两个金属导体和一个焊接在两个金属导体之间的开关二极管，两个开关二极管互相垂直摆放；为了对上层金属图案和中层金属图案中的两个开关二极管进行直流偏置：上层金属图案和中层金属图案中各一个金属导体分别通过两个金属过孔连接至下层介质层的下底面，与金属地相连，作为直流偏置的负极；另外两个金属导体通过另外两个金属过孔连接至下层介质层的下底面，并与金属地相隔离，作为直流偏置的信号线，即正极；

每个电可调的各向异性编码单元可通过两路直流偏压来控制其上所加载的两个开关二极管的导通和关断状态，进而能够独立地控制编码单元在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下的反射相位为0°和180°，分别对应数字态0和1；则每个电可调的各向异性编码单元拥有四种各向异性数字态0/0、0/1、1/0和1/1，其中斜杠前表示其在x极化入射波照射下的数字态，斜杠后表示其在y极化入射波照射下的数字态。

通过在超表面阵列上以开关电压的形式加载预先设计好的各向异性编码矩阵，从而在x 极化和y极化垂直电磁波照射下呈现出不同的功能。比如在x极化电磁波照射下，垂直波束被反射到x-z平面内的两个方向上，而在y极化电磁波照射下，垂直波束被反射到y-z平面内的两个方向上；也可以是将x极化和y极化电磁波异常反射到相同面内的不同角度上。将超表面阵列连接到数字可编程硬件上，能够实时地通过切换各向异性电磁编码而切换其在x极化和y极化下的功能。

与现有技术相比，本实用新型的优势在于：

1、本实用新型所提出的一种工作在微波段的可编程1-比特各向异性超表面，与传统可调的反射阵天线相比，具有在x极化和y极化电磁波照射下拥有不同功能的特点，极大地增加了其设计自由度，扩展了其应用前景。

2、本实用新型的基本单元结构与传统可调的反射阵天线的单元结构相比，在结构上得到了大大简化，仅采用双层的金属图案结构和两个开关二极管，采用常规的印制电路板工艺即可制作，开关二极管选型也很宽松，很多公司均有销售。

3、本实用新型摒弃了传统采用等效媒质参数对超表面进行分析与设计的方案，采用离散的各向异性编码的形式来更加简洁和有效地分析和设计各向异性超表面在不同编码下相应的远场散射方向图。