异步时空编码超表面

1.本发明涉及一种异步时空编码超表面，属于新型人工电磁超材料技术领域。


背景技术：

2.现有的时空编码超表面技术可以同时在空间和时间上对单元反射相位编码进行设计，从而使编码超表面获得同时对电磁波波前和频谱的调控能力。然而，现有的编码超表面都是在同步框架下设计实现的，即无法获得动态的散射电磁波波前。


技术实现要素：

3.技术问题：
4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以产生并且控制动态电磁波波前的编码超表面。其具体实现方式是对超表面单元施加具有不同时间周期的调制信号以使得不同单元的反射频率不再一致。进一步地，由于不同单元反射频率的不同，异步时空编码超表面上相位梯度会动态变化，即产生以往所有编码超表面所不具备的动态的电磁波波前。从功能上讲，具有产生和控制动态电磁波波前能力的异步时空编码超表面可以实现空间电磁波的自动扫描，并且在静止条件下，具备时变雷达散射截面积(rcs)的特性。因此，本发明在通信、隐身和雷达领域都具有潜在应用价值。
5.技术方案：
6.为解决上述技术问题，本发明提出一种异步时空编码超表面，包括：呈周期排列的m个亚波长人工电磁单元；每个亚波长人工电磁单元包含有源控制元件；通过对有源控制元件两端施加不同的电压，可改变亚波长人工电磁单元对空间电磁波的反射相位，实现大于360
°
的反射相位覆盖范围。
7.优选的，加载到有源控制元件的电压是周期时变的，在得到加载电压与亚波长人工电磁单元反射相位的对应关系后，通过设计相应的加载电压波形，可保证单元的反射相位在一定调制时间周期内从0到360
°
线性变化，其目的是使亚波长人工电磁单元的反射频率由入射波载频搬移至一阶谐波处。
8.优选的，同一列中的亚波长人工电磁单元的电压由同一控制信号调制，各列之间的控制信号相互独立，即每一列都需要设置一个控制电路。
9.优选的，电压的控制信号由控制电路产生，所述控制电路由现场可编程门阵列fpga、数模转换模块dac与放大电路模块amplifier组成；利用上述三个模块可输出任意周期的时变电压波形，以确保单元反射相位在任意时间周期内实现0
°
到360
°
的线性变化。
10.优选的，在保持编码超表面上所有亚波长人工电磁单元控制波形不变的条件下，通过对不同亚波长人工电磁单元施加不同的时间调制周期，使得单元间产生一定的反射频率差；反射频率差会使单元间的相位梯度随时间发生变化，即产生动态电磁波波前；此外，针对不同的应用场景，通过对调制周期进行空间编码，可设计实现各种电磁波波前的动态行为。
11.优选的，所述有源控制元件包含有两个pin二极管和两个变容二极管；通过调节加载在两个变容二极管两端的电压，可等效改变亚波长人工电磁单元的谐振结构，进改变其对空间电磁波的反射相位。
12.有益效果：
13.1.与传统的编码超表面相比，本发明通过对不同空间单元施加具有不同时间周期的控制信号，
14.可以有效的控制空间电磁波，为人工电磁超材料领域开辟了一个可以操控电磁波的新维度。
15.2.本发明可以产生并有效控制动态电磁波波前，因此，其可实现电磁波的空间自动扫描。异步时空编码超表面的这一特性，可以省去传统编码超表面为实现空间扫描而做出编码设计的全部过程。
16.3.由于本发明可以产生并有效控制动态电磁波波前，当其用作雷达目标时，在静止条件下，其雷达散射截面积是随时间变换的，这一特性，是传统材料所不具备的。
17.4.在单色电磁波的照射下，本发明可任意产生多个频率。与传统的多频生成系统(比如，频控阵)相比，本发明硬件结构简单，不需要本振源等相关器件。
附图说明
18.图1为本发明的异步时空编码超表面。
19.图2为本发明中，异步时空编码超表面的亚波长人工电磁单元。
20.图3为本发明中，单元的反射率随电压变化曲线。其中，(a)为反射幅度随电压变化的曲线； (b)为反射相位随电压变化的曲线。
21.图4在相邻阵列调制频差为100khz条件下，空间散射方向图随时间变化的规律。
22.图5在相邻阵列调制频差为200khz条件下，空间散射方向图随时间变化的规律。
23.图6在调制时间周期为不同空间分布的条件下，异步时空编码超表面rcs随时间的变化特征。其中，(a)为编码超表面中，不同列对应的时间调制周期；(b)为不同时间调制周期分布条件下，异步时空编码超表面rcs随时间变化的特性曲线。
具体实施方式
24.如图1所示，一种异步时空编码超表面，其由呈周期排列的m个亚波长人工电磁单元组成。本实施例中使用的超表面有8
×
16个单元。每个单元包含有两个pin二极管和两个变容二极管，如图2所示。通过调节加载在两个变容二极管两端的电压从0v到21v，可以保证在4.25ghz频点上，反射幅度波动在小于3db的同时，单元反射相位覆盖范围大于360
°
，如图3所示。
25.本发明的电压控制信号可由控制波形和波形周期来描述。具体的，本发明的电压控制波形要使单元反射相位在一定时间周期内由0
°
线性变化到360
°
，其目的是，保证单元反射频率由入射波载频全部搬移至一阶谐波处。此时，对不同单元设置不同的调制周期，单元间的反射频率就会存在频差。进一步地，单元间的电磁波反射频差会使编码超表面的空间相位梯度随时间变化，进而产生动态的空间散射电磁波波前。
26.本发明中，通过对编码超表面上时间调制周期进行空间编码，即可有效地控制动
态电磁波波前的行为。
27.在异步时空编码超表面上，同一列中的单元由同一控制信号调制，各列之间的调制信号相互独立。控制信号由fpga产生，经dac模块输出，再由amplifier放大，最终以对应电压(可以产生目标反射相位的对应电压)的形式加载到编码超表面上。
28.实施例1：
29.本发明中，可以利用异步时空编码超表面实现电磁波的自动空间扫描。具体而言，采用上文所述的调制波形，保持编码超表面中每一列单元的调制时间不变，且相邻两列之间的调制频差保持不变(即调制频率在阵面上线性增加)。此时，编码超表面会保持动态的相位梯度，亦即产生动态的空间散射方向图，如图4所示。进一步地，通过调整相邻两列之间的调制频差可以调节电磁波空间自动扫描的速度。如图5所示，当相邻两列的调制频率增加至一倍，完成相同空间自动扫描的时间减小至一半。另一方面，在初始时刻，异步编码超表面的散射方向图的空间指向可以通过改变超表面初始瞬态相位梯度而任意设置。
30.实施例2：
31.本发明中，将异步时空编码超表面看作是一个雷达目标，可观察到其雷达散射截面积 (rcs)是动态的。采用上文所述的调制波形，同时对编码超表面上每一列施加具有不同的时间调制周期，即可使编码超表面获得时变的rcs。进一步地，通过对编码超表面上调制周期空间分布的设计(即对时间调制周期的空间编码)，可以有效控制其时变rcs的曲线特征。举例而言，在保持对整个编码超表面控制信号波形不变条件下，以降低一段时间内异步时空编码超表面的rcs为目标，本发明分别对调制周期采用随机空间编码，遗传算法(ga)空间编码，粒子群优化算法(pso)空间编码，所得到的异步时空编码超表面rcs随时间变化的曲线如图6(b)所示。从图中可以看出，三种空间编码均可使编码超表面的rcs随时间变化，且在30μs之后，均可降低其rcs至10db以上，尤其是遗传算法(ga)空间编码和粒子群优化算法(pso)空间编码，可使其rcs缩减至20db以上。