[发明专利]一种极化域和空间域非互易性超表面装置和控制方法

说明书

本发明公开一种极化域和空间域非互易性超表面装置，包含：多个相同的超表面单元；每个超表面单元包含辐射贴片、介质基板和金属背板三层结构；超表面单元，用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过改变馈电点正交相位差值，调控超表面装置极化域的极化状态，每个所述超表面单元的馈电点正交相位差值均相同，馈电点正交相位差值是同一超表面单元的辐射贴片的正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差；在前向频率转换和后向频率转换时，通过调整不同超表面单元的第一相位值，实现波束指向的非互易性。本发明还公开一种极化域和空间域非互易性超表面控制方法，使用所述装置。本发明实现了高集成度的非互易性器件，尤其适用点对点通信。

技术领域

本发明涉及超表面技术领域，尤其涉及一种极化域和空间域非互易性超表面装置和控制方法。

背景技术

超表面是一种二维平面人工超构材料，通常由亚波长尺寸的单元周期性或非周期性排布而成，能够灵活调控电磁波传播，可以形成任意形状的波阵面，具有自然界常规材料无法实现的电磁新特性。目前基于电磁超表面已经设计出了隐身斗篷、平面透镜和电磁黑洞等具有奇异电磁功能的新器件。然而，传统的静态电磁超材料和超表面都是基于连续变化的媒质参数，通过设计超表面单元结构及参数，控制电磁波的幅度、相位和极化等物理参量，一旦制备成型其功能也将固化，难以满足动态调控的应用需求。

发明内容

本发明提供一种极化域和空间域非互易性超表面装置和控制方法，解决现有技术难以动态调控极化方向和波束指向的问题。

为解决上述问题，本发明是这样实现的：

本发明实施例提供一种极化域和空间域非互易性超表面装置，包含：多个相同的超表面单元。每个所述超表面单元由辐射贴片、介质基板和金属背板三层结构组成，所述辐射贴片在所述介质基板的顶面，所述金属背板在所述介质基板的底面。所述超表面单元，用于在前向频率转换和后向频率转换时，通过改变馈电点正交相位差值，调控超表面装置极化域的极化状态，每个所述超表面单元的馈电点正交相位差值均相同，所述馈电点正交相位差值是同一超表面单元的辐射贴片的正交轴对应的馈电点间加载的时变调制信号的相位差。在前向频率转换和后向频率转换时，通过调整不同超表面单元的第一相位值，实现波束指向的非互易性，所述第一相位值是在同一超表面单元的辐射贴片的不同馈电点间加载的时变调制信号的相位值中的共有相位值。所述前向频率转换是第一频率转换为第二频率，所述后向频率转换是第二频率转换为第一频率，所述时变调制信号为所述第一频率与所述第二频率的频差正弦信号。

优选地，多个相同的超表面单元按矩形排列方式均匀排列而成。

优选地，超表面单元中心工作频率为1～6GHz，所述时变调制信号的频率小于等于所述超表面单元中心工作频率的千分之六。

优选地，所述超表面单元的辐射贴片为正方形辐射贴片，包含4个馈电点，4个馈电点分别位于正方形的四个边的中心位置处，正方形贴片相对两条边上的馈电点的输入信号相位值相同。

优选地，在出射信号频率和出射信号波束宽度条件下，确定超表面单元的单元数，使出射信号的波束指向和极化状态满足设定条件。

进一步地，对超表面单元加载的第一相位值如公式1。

进一步地，正方形辐射贴片的边长范围为：0.45λ～0.55λ，λ为超表面单元中心工作频率处的介质波长。

进一步地，4个馈电点对应4个电路结构相同的馈电电路，每个馈电电路均由电容、变容二极管和电感组成。

进一步地，所述超表面单元采用正方形铜辐射贴片和铜金属背板。