[发明专利]一种可编程各向异性编码超表面

说明书

一种可编程各向异性编码超表面，包括超表面基本单元结构，电可调变容二极管、0欧姆跨线电阻以及现场可编程门阵列；基本单元结构由三层金属层且三层金属层之间分别间隔第一、第二两层介质组成，最上层金属面布置成中间的金属贴片和四周分离的四片梯形金属贴片贴在第一层介质层表面；其中最上层金属中间的金属贴片通过金属通孔与中间层金属背板相连作为直流馈电的负极，最上层金属四周分离的梯形金属贴片通过四个金属通孔分别与第三层的四个方形金属贴片相连作为直流馈电正极；变容二极管焊接最上层梯形金属贴片与中间金属贴片之间；变容二极管两端电压由FPGA控制；改变变容二极管两端电压差以实现电容值切换。

技术领域

本发明涉及一种可编程各向异性编码超表面设计方法，属于新型人工电磁器件领域。

背景技术

新型人工电磁超表面(简称超表面)是一种由亚波长单元结构周期或非周期排布在二维平面上的人工复合电磁材料。通过对电磁波频率、幅度、相位、极化的调制，可以实现异常反射、完美隐身、漫反射等功能，在高效率透镜、全息成像、电磁隐身、天线设计等方面有众多应用。本发明涉及的可编程各向异性编码超表面可以实时、动态、独立地控制两个正交线极化电磁波，实现多波束数目以及波束角度的动态切换，实现极化复用，可用于信号传输系统增加信道容量。

发明内容

本发明的目的是，实现一种用于自由空间电磁波散射特性调控的多功能可编程各向异性编码超表面设计方法。该超表面与现场可编程门阵列(FPGA)相结合，可以实时、动态、独立地控制两个正交线极化电磁波，实现多波束数目以及波束角度的动态切换。这种极化复用的可编程各向异性编码超表面能有效地提升动态可调超表面的调控自由度、增加信道容量，在动态信号传输、全息成像以及任意波束赋形等方面具有许多潜在的应用；尤其是实现两个极化的馈电隔离。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：可编程各向异性编码超表面，包括超表面基本单元结构，电可调变容二极管、0欧姆跨线电阻以及现场可编程门阵列(FPGA)；所述超表面基本单元结构由三层金属层且三层金属层之间分别间隔第一、第二两层介质组成，最上层金属面布置成中间的金属贴片和四周分离的四片梯形金属贴片贴在第一层介质层表面；其中最上层金属中间的金属贴片通过金属通孔与中间层金属背板相连作为直流馈电的负极，最上层金属四周分离的梯形金属贴片通过四个金属通孔分别与第三层的四个方形金属贴片相连作为直流馈电正极；x-方向电可调变容二极管焊接最上层梯形金属贴片与中间金属贴片之间；电可调变容二极管两端电压由FPGA控制；通过改变变容二极管两端电压差以实现电容值切换，进而调控相位分布。

所述的可编程各向异性编码超表面，0欧姆跨线电阻焊接于超表面基本单元的背面第三层金属层用于连接四个方形金属贴片，作为馈电电路，实现两个极化的馈电隔离。

0欧姆跨线电阻焊接在第三层金属表面，起到直流馈电的作用。

x-方向的变容二极管的直流馈电正极由金属细条直接连接；y-方向的变容二极管的直流馈电正极由金属细条将最上层金属四周分离的梯形金属贴片与0欧姆跨线电阻组合连接，目的使得y-方向直流馈电与x-方向馈电实现电隔离，即对y-方向变容二极管施加直流偏置电压时，并不改变x-方向变容二极管的直流馈电，x-方向变容二极管的直流馈电由x-方向直流馈电独立控制；反之亦然。实际操作中，变容二极管两端电压由FPGA控制，通过改变变容二极管两端电压差以实现电容值切换，调控相位分布，在双极化状态下实现单波束、双波束、随机散射以及波束扫描等多种复杂的波束调控功能。

所述的可编程各向异性编码超表面，0欧姆跨线电阻焊接于超表面基本单元的背面，作为馈电电路，可实现两个极化的馈电隔离。