[发明专利]一种具有幅频调制功能的超表面单元、超材料以及应用方法

说明书

本发明公开了一种具有幅频调制功能的超表面单元、超材料以及应用方法，在现场可编程门阵列的控制下，可以对各个单元的二极管状态进行切换，实现不同的幅频响应。本发明根据三种单元不同的幅度响应，通过选择不同的基本单元设计相应的编码单元阵列，可以灵活设计超表面阵列的整体幅频响应，针对相同能量大小的垂直入射电磁波，不同的编码单元序列可以在不同频率下产生不同的辐射幅度。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料技术领域，特别涉及一种具有幅频调制功能的超表面单元。

背景技术

在过去的几十年里，超材料由于其特殊的电磁特性，引起了人们对其研究的极大兴趣。超材料是具有亚波长大小的人工结构，其电磁特性来自于其组成单元的几何形状。基于这一概念，许多新的应用被提出，包括完美透镜，超透镜，隐身衣和完美吸收等。超表面作为人工结构，不仅继承了上述优势，而且克服了超材料制作困难、集成度高、损耗大等问题。为了更简洁地操纵电磁波，提出了数字编码超表面的概念。在这种框架下，传统的电磁特性，如振幅和相位，可以简单地用“0”、“1”二进制代码来表征，这使得直接调制成为可能。与传统的空间编码不同，还提出了一种频率编码超表面，在不改变空间编码模式的情况下，实现对不同频率电磁波的不同控制。这样，在物理世界和数字世界之间架起了一座桥梁。

随着超表面技术的发展，人们渴望从多角度对电磁波进行调节。超表面幅频调制器的概念也受到了广泛的关注。与传统幅频调制器相比，超材料幅频调制具有许多优点，其低剖面和简单的制作工艺使其明显优于传统的幅频调制器。一种宽带幅频调制器被提出，通过在微流控通道中注入液态金属共晶镓铟合金来切换工作频带。此外，还有一种方法是将有源器件集成到超材料单元中，比如通过改变二极管的通断状态可以实现不同频率的共振。有研究人员提出了一种利用PIN二极管改变顶部谐振器件与接地面之间距离的宽频幅频调制器。然而，上述所提到的幅频调制工作仅具有有限的调节功能，局限于整体控制。我们认为，本文提出的灵活幅频调制方法在通信系统中具有潜在的应用前景。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有幅频调制功能的超表面单元，通过改变两个PIN二极管的工作状态来实现幅频调制功能，通过设计特定的数字编码序列来实现不同的幅频效果。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种具有幅频调制功能的超表面单元，该超表面单元包括表层幅频调制金属结构层(1)、介质板层(2)和底层金属层(3)，所述表层幅频调制金属结构层(1)贴附于介质板层(2)上表面，底层金属层(3)贴附于介质板层(2)下表面，其中，所述表层幅频调制金属结构层(1)包括开口环状金属一(4)、开口环状金属二(5)、开口环状金属三(6)、一号PIN二极管(8)、二号PIN二极管(7)、两条馈线(9)、两个金属通孔(10)、渐变馈线(12)、吸波器芯片(11)；所述底层金属层(3)包括接地金属面(14)、两条馈线(13)，两条馈线(13)平行于x轴，一端分别与底层金属层(3)竖直方向的两条边垂直连接，另一端上分别设置有金属通孔；

所述表层幅频调制金属结构层(1)中的三个开口环状金属层层嵌套，开口方向沿Y轴负方向，并且环状金属层与层之间具有一定间隔；开口环状金属一(4)内部嵌套着开口环状金属二(5)，并在中间间隔处通过二号PIN二极管(7)连接，开口环状金属二(5)内部嵌套开口环状金属三(6)，并在中间间隔处通过一号PIN二极管(8)连接；两条馈线(9)分别位于开口环状金属一(4)的左右两侧，开口环状金属一(4)通过两条馈线(9)分别与介质板层(2)竖直方向的两条边垂直连接；

所述开口环状金属二(5)上设置有两个金属通孔(10)，其分别位于开口环状金属二(5)的左右两侧，开口环状金属二(5)通过两个金属通孔(10)与两条馈线(13)上的两个金属通孔相连；开口环状金属三(6)的开口部分引出一条渐变馈线(12)，并且渐变馈线(12)的底部与吸波器芯片(11)连接。

进一步的，三个层层嵌套的开口环状金属之间的间隔宽度一致。