[发明专利]一种1-比特毫米波电控可编程超表面

说明书

本发明是一种1‑比特毫米波电控可编程超表面，其单元结构由人工设计的金属结构、变容二极管、介质衬底和金属背板构成，工作频率设定为毫米波频率区。其中金属结构为对称开缝型导电块结构，变容二极管为适用于毫米波太赫兹频率的GaAs变容二极管，介质衬底为石英。该结构基于新型人工电磁材料，可以通过调节变容二极管的反向偏压改变其电容值，进而调控超表面单元的幅度和相位，从而实现超表面单元的编码态切换和超表面阵列的远场波束操控。这是一种可编程的毫米波人工电磁表面，在毫米波无线通信和成像方面具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种1-比特毫米波电控可编程超表面的结构、设计方法与应用技术，属于新型人工电磁材料的技术领域。

背景技术

人工电磁表面(超表面)，是由三维新型人工电磁材料(超材料)发展而来的二维结构，因其相对于三维超材料结构具有的体积小、重量轻、成本低、便于加工和应用等优势引起了研究人员的重视。特别是其新奇的物理性质已经成为了电磁学、物理学和材料科学等领域的研究热点。根据这些性质可以设计成随机表面、频率选择表面、定向辐射天线等各种功能电磁器件，从而实现对电磁波的任意调控，在毫米波通信、高分辨率成像和雷达等领域具有重要的应用。

对于这种二维的人工电磁表面，其单元可以进行独立的设计，从而实现每个单元独立调控电磁波的振幅和相位，由此可以获得更加复杂的场分布结果。基于这种相位或振幅的不连续性，可以将单元离散为有限类型并用数字代码描述它们。例如两种单元的反射相位相差180°，而振幅相近，则可以得到“0”和“1”两种编码；若有四种不同单元的相位依次相差90°，则可以得到“00”、“01”、“10”和“11”四种编码。为了进一步探索超表面的动态控制，许多有源技术已被集成到超表面的设计中，例如PIN二极管、半导体和微流体，以通过外部激发实现电磁响应调节。数字编码过程提供了一种简单有效的方法来设计超表面并使其可编程，将数字编码超表面与一些可编程器件，如微程序控制单元(MCU)和现场可编程门阵列(FPGA)相结合，实现了可编程超表面，能够实时切换呈现的功能。此外，随着这种数字编码超表面的快速发展，它进一步演变为在具有信息的分析和处理功能的信息超表面。

近年来，随着第五代(5G)和第六代(6G)无线通信的发展，信息超表面概念被提出并引起了学术界和业界的广泛关注，如可重构智能表面(RIS)、智能反射面(IRS)、大智能面(LIS)。本发明提出的方式，即在金属单元结构中引入变容二极管，采用编程控制电压的方式实时调控编码单元，进而改变单元的谐振特性和反射特性以实现“0”、“1”编码，是一种毫米波频段的智能反射单元，具有很大的创新性以及可行性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种1-比特毫米波电控可编程超表面。这种超表面结构由变容二极管、人工设计的金属结构、介质衬底和金属背板构成，可以在未加载偏置电压和加载偏置电压两种状态下得到不同的反射性质，具体表现为反射振幅接近、且反射相位相差180°，从而可以获得“0”和“1”两种编码的单元结构，并通过单元的排列实现对电磁波的操控。这种电控可编程毫米波超表面具有亚波长的单元尺寸且响应时间短，因此具有很好的应用前景。

技术方案：本发明的一种1-比特毫米波电控可编程超表面由多个亚波长单元组成二维阵列构成，纵向排列的亚波长单元顺序串联连接，横向排列的亚波长单元彼此分开，所述亚波长单元的结构主要包括变容二极管、金属结构、介质衬底和金属背板；其中，在介质衬底的背面设置金属背板，在介质衬底的正面设置金属结构，变容二极管连接在金属结构中。

其中，

所述金属结构是一种开缝对称型导电块结构，即两片导电块对称的位于开缝的两侧，两片导电块分别焊接上变容二极管的两端。

所述金属结构所用材料为金，其工作频率为毫米波频段。

所述变容二极管为GaAs变容二极管，结构为倒装芯片变容二极管。

所述介质衬底为石英玻璃，其介电常数为3.8。