[发明专利]一种数字式可编程时空编码超材料

说明书

本发明公开了一种数字式可编程时空编码超材料，由时变的人工电磁表面和数字控制模块两部分构成。其中，人工电磁表面由时变编码单元在空间上周期排布构成，每个单元结构集成了一个开关二极管，由数字控制模块提供不同的偏置电压，可以呈现不同的电磁响应。基本单元不仅在空间上排布可控，并且在时间维度上按照相应的时间编码序列周期性循环，可以在频率域产生相应的谐波能量分布，最终可以实现在空间域和频率域同时调控电磁波。通过设计时‑空编码矩阵，时空编码超材料可以实现许多新奇的功能，例如谐波波束扫描，以及散射能量抑制等。此外，探索编码超材料的时间维度，可以实现超材料频谱能量的精确控制，在无线通信等领域都有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种基于可编程时变单元的数字式时空编码超材料。

背景技术

新型人工电磁材料，亦称电磁超材料(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/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。电磁超材料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)。近些年来，为了减少体超材料的厚度及构造复杂性，单层平面结构的超表面(Metasurfaces)也广泛地用于调控电磁波。

崔铁军教授课题组在2014年提出了数字编码和可编程超材料的概念，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时调控，区别于基于等效媒质理论的传统超材料。例如，1比特编码超材料是两个数字单元“0”和“1”(分别对应0和π的相位响应)按照一定的编码序列构成；而2比特编码超材料是由四个数字单元“00”、“01”、“10”和“11”(分别对应0，π/2,π和3π/2的相位响应)。这种超材料可以通过设计编码序列来实现对电磁波的调控。此外，在单元上加载有源可调器件，结合FPGA等控制电路可以实现功能实时可切换的可编程超材料。(参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,Coding metamaterials,digitalmetamaterials and programmable metamaterials,Light-Science Applications,vol.3,p.e218,Oct 2014.)

以上提到的编码超材料仅有空间维的编码，没有考虑在时间维度上周期变化的编码，也就是说在某时刻的空间编码是固定的，仅仅在需要变换功能的时候切换空间编码。

发明内容

发明目的：本发明目的在于提供一种数字式可编程时空编码超材料，填补现有的空间编码超材料在时间维度上的空白，引入时间维度的调制，可以在空间域和频率域同时调控电磁波，提供了更大的自由度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种数字式可编程时空编码超材料，由时变编码单元在空间上周期排布构成，每个单元结构集成了一个开关二极管，数字控制模块具有变压模块，能够为二极管提供两种不同的偏置电压，使其导通或者关断，使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。每个单元拥有独立的时间编码序列，并由数字控制模块提供的偏置电压来快速切换，时空编码超材料在时间维度上按照相应的时间编码序列周期性循环，可以在频率域产生对应的谐波能量分布。

进一步地，时变编码单元在空间上分成若干列，每列的多个单元结构使用相同的偏置电压，通过数字控制模块输出的同一组时间编码序列进行控制。

进一步地，所述时变编码单元包括被印刷在介质基片正面的矩形金属贴片，介质基板背面全部覆铜的反射地板，一个通过金属过孔连接矩形金属贴片和反射地板的开关二极管。矩形金属贴片和地板分别与直流电源的两极相连为二极管提供偏置电压。

进一步地，所述的超材料为超表面。

进一步地，所述两种不同的电磁响应用二进制数字“0”和“1”来表示。