一种非互易性超表面装置和控制方法与流程

1.本发明涉及超表面技术领域，尤其涉及一种非互易性超表面装置和控制方法。


背景技术：

2.超表面是一种二维形式的人工电磁超材料，由亚波长尺寸的单元周期或者非周期性的排列。超表面具有超常规的物理性质，可以实现自然界天然材料无法实现的新奇电磁特性。超表面通过利用在单元表面上产生的相位突变特性可以调控电磁波的传输。传统的电磁非互易性器件，常依赖于铁氧体等磁性材料来打破时间反演对称性，实现电磁波非互易性传输，例如隔离器是一种常见的非互易性器件，其正反两个方向传输时损耗值差别大，信号只能定向传输，然而磁性材料无法与集成电路加工工艺兼容，存在难以集成化的难题。


技术实现要素：

3.本发明提供非互易性超表面装置和控制方法，解决装置和方法难以集成化的问题。
4.为解决上述问题，本发明是这样实现的：
5.发明实施例提供一种非互易性超表面装置，包含超表面单元；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，根据时变调制信号相位值，分别加载不同的单元相位值，实现波束指向的非互易性。
6.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正弦信号，所述时变调制信号的频率为所述第一频率与第二频率的频差。
7.进一步地，所述金属背板内包含一个馈电电路，所述馈电电路包含：一分二功分网络，第一、第二金属化通孔，时变调制信号馈入端口，第一、第二电感，第一、第二电容，第一、第二变容二极管；所述第一、第二金属化通孔，用于将所述一分二功分网络的两个末端与所述辐射贴片的边缘连接；所述时变调制信号馈入端口位于所述一分二功分网络的输入端，所述时变调制信号经所述时变调制信号馈入端口进入所述一分二功分网络。
8.在进行前向频率转换时，第一入射信号经所述第一金属化通孔、第一电感至所述第一变容二极管处，与所述时变调制信号混频后经所述第一电容隔绝低频信号，再经所述第二电容、第二变容二极管和第二电感至第二金属化通孔，输出第一出射信号。
9.在进行后向频率转换时，第二入射信号经所述第二金属化通孔、第二电容至所述第二变容二极管处，与所述时变调制信号混频后经所述第二电感隔绝高频信号，再经所述第一电容、第一变容二极管、第一电感至所述第一金属化通孔，输出第二出射信号。
10.所述第一入射信号和第二出射信号的频率均为所述第一频率，所述第一出射信号和第二入射信号的频率均为第二频率。
11.进一步地，所述非互易性超表面装置由所述超表面单元按矩形排列方式均匀排列而成。
12.进一步地，所述超表面单元的尺寸与单元数通过超表面工作频率和预设的第一出射信号的指向角度确定，所述第一出射信号为在进行前向频率转换时的出射信号。
13.优选地，所述超表面单元采用正方形铜辐射贴片和铜金属背板。
14.优选地，所述时变调制信号的频率为40mhz，所述超表面工作频率为2.5ghz，所述介质基板使用rogers 5880材料，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.575毫米。
15.优选地，所述超表面单元的单元相位值由如下公式1确定。
16.优选地，所述正方形铜辐射贴片的边长为45mm。
17.本发明实施例还提供一种非互易性超表面控制方法，使用本发明任一项实施例所述装置，包含以下步骤：根据已知的超表面工作频率和第一出射信号的波束宽度，计算超表面单元的尺寸和单元数，所述第一出射信号为在进行前向频率转换时的出射信号；根据第一入射信号的第一入射俯仰角和第一出射信号的第一出射俯仰角，计算各超表面单元的单元相位值，所述第一入射信号为在进行前向频率转换时的入射信号；根据在前向频率转换时，时变调制信号相位与所述单元相位值关系，确定时变调制信号相位。
18.本发明有益效果包括：第一、本发明不依赖于铁氧体等磁性材料，采用时变调制信号的方法实现了可集成化的非互易性超表面，具有可集成化的优势。第二、引入非互易性后，进一步丰富了非互易性超表面的新奇功能，所发明的非互易性超表面是一种多功能器件。第三、本发明仅需通过控制低频时变调制信号的相位，便可以调控超表面反射电磁波的空间相位分布，从而实现非互易性的空间域波束指向，具有灵活易操作的效果。
附图说明
19.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1(a)为一种非互易性超表面装置实施例的超表面装置示意图；
21.图1(b)为一种非互易性超表面装置实施例的超表面单元示意图；
22.图1(c)为一种非互易性超表面装置实施例的馈电电路正面示意图；
23.图1(d)为一种非互易性超表面装置实施例的馈电电路背面示意图；
24.图2为超表面单元的单元相位值与时变调制信号相位关系曲线实施例；
25.图3为非互易性超表面装置结构实施例；
26.图4为空域波束非互易性指向实施例；
27.图5(a)为超表面单元相位分布与空域波束指向实施例的前向频率转换分布图；
28.图5(b)为超表面单元相位分布与空域波束指向实施例的后向频率转换分布图；
29.图6为非互易性超表面控制方法流程实施例。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做
出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.电磁非互易性是指电磁波沿着相反的两个方向传输时，具有不同的损耗或者相移。近年来，采用时变调制信号的方法被证明可以打破时间反演对称性实现非互易性，其不依赖于磁性材料，具有可以集成化的优势。因此，基于时变调制信号的方法来实现可集成化的非互易性超表面，将进一步增强和丰富超表面的功能，拓宽超表面的应用范围，应用前景广阔。
32.本发明的创新点在于：区别于现有的铁氧体等磁性材料，本发明通过超表面材料设计实现空域波束指向非互异性，具有集成度高的优势；另外，本发明通过设计改变时变调制信号的相位值可调节出射信号的波束指向，波束指向具有更高的灵活性。
33.以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
34.图1(a)为一种非互易性超表面装置实施例的超表面装置示意图，图1(b)为一种非互易性超表面装置实施例的超表面单元示意图，图1(c)为一种非互易性超表面装置实施例的馈电电路正面示意图，图1(d)为一种非互易性超表面装置实施例的馈电电路背面示意图。
35.在本发明实施例中，一种非互易性超表面装置1，包含：多个相同的超表面单元2，每个所述超表面单元由辐射贴片11、介质基板12和金属背板13三层结构组成，所述金属背板内包含一个馈电电路14。
36.在本发明实施例中，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，根据时变调制信号相位值，分别加载不同的单元相位值，实现波束指向的非互易性。
37.需要说明的是，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正弦信号，所述时变调制信号的频率为所述第一频率与第二频率的频差。
38.在本发明实施例中，所述非互易性超表面装置用于实现前向和后向波束反射，前向波束反射是指第一入射信号以第一入射俯仰角照射所述装置，经反射后形成出射角为第一出射俯仰角的第一出射信号，后向波束反射是指第二入射信号以第二入射俯仰角照射所述装置，经反射后形成出射角为第二出射俯仰角的第二出射信号。
39.需要说明的是，在本发明中，所述第一入射俯仰角是第一入射信号的波束中心指向与非互易性超表面装置法线的夹角，所述第一出射俯仰角是第一出射信号的波束中心指向与非互易性超表面装置法线的夹角，第一出射水平角是第一出射信号的波束中心指向在装置表面上的投影与其中一个坐标轴的夹角。所述非互易性超表面装置法线(装置法线)是与所述装置表面相垂直、且通过装置表面中心的直线。
40.相应地，第二入射俯仰角，是第二入射信号的波束中心指向与装置法线的夹角，第二出射俯仰角是第二出射信号的波束中心指向与装置法线的夹角。
41.需要说明的是，本发明实施例实现波束指向的非互易性，是指在第一出射俯仰角和第二入射俯仰角相同时，第一入射俯仰角和第二出射俯仰角不同。
42.还需说明的是，所述第一入射信号和第二出射信号的频率相同，均为第一频率，所述第一出射信号和第二入射信号的频率相同，均为第二频率。
43.在本发明实施例中，超表面单元的单元相位值与所述时变调制信号相位值存在线
性对应关系，前向频率转换时和后向频率转换时，单元相位值与时变调制信号相位值的对应关系不同，因此，可在前向频率转换和后向频率转换过程中实现波束指向的非互易性。
44.在本发明实施例中，所述非互易性超表面装置可由相同的超表面单元周期性排列构成，例如按照矩形结构形式排列而成，或者按照圆形排列方式排列而成；所述非互易性超表面装置还可按照其他排列方式排列，例如稀疏布阵排列方式，这里不做特别限定。
45.图1(a)提供了一种矩形排列形式的非互易性超表面装置，包含6
×
6(行
×
列)个超表面单元，本发明实施例对超表面单元的个数不进行限定。
46.在本发明实施例中，所述超表面单元可采用正方形铜辐射贴片，还可采用其他形状或材质的辐射贴片，如圆形辐射贴片，这里不做特别限制。所述金属背板可采用铜金属背板，或其他材料金属，这里不做特别限定。所述超表面单元可由传统pcb加工工艺实现。
47.在本发明实施例中，所述第二频率可以大于所述第一频率，即在前向频率转换时实现上变频的频率转换；所述第二频率还可小于所述第一频率，即在前向频率转换时实现下变频的频率转换。
48.图1(c)提供了一种第二频率大于第一频率的馈电电路实施例，可用于进行对超表面单元进行变频和馈电，所述馈电电路14包含：一分二功分网络401，第一金属化通孔403，第二金属化通孔402，时变调制信号馈入端口404，第一电感409，第二电感406，第一电容408，第二电容405，第一变容二极管410，第二变容二极管407。
49.所述第一、第二金属化通孔，用于将所述一分二功分网络的两个末端与所述辐射贴片的边缘连接；所述时变调制信号馈入端口位于所述一分二功分网络的输入端，所述时变调制信号经所述时变调制信号馈入端口进入所述一分二功分网络。
50.在进行前向频率转换时，第一入射信号经所述第一金属化通孔、第一电感至所述第一变容二极管处，与所述时变调制信号混频后经所述第一电容隔绝低频信号，再经所述第二电容、第二变容二极管和第二电感至第二金属化通孔，输出第一出射信号。
51.在进行后向频率转换时，第二入射信号经所述第二金属化通孔、第二电容至所述第二变容二极管处，与所述时变调制信号混频后经所述第二电感隔绝高频信号，再经所述第一电容、第一变容二极管、第一电感至所述第一金属化通孔，输出第二出射信号。
52.在本发明实施例中，所述第一电容和第二电容用于隔绝混频时产生的低频信号，所述第一电感和第二电感用于隔绝混频时产生的高频信号，所述变容二极管用于混频和工作在反向偏置状态时、起到可变电容器的作用。
53.在本发明实施例中，所述一分二功分网络为t形一分二功分网络，需要说明的是，所述一分二功分网络还可以为其他形一分二功分网络，这里不做特别限定。
54.具体地，例如，超表面工作频率设计为2.5ghz，高频端中心频率设计为1.8ghz，时变调制信号为低频信号、频率为fm＝40mhz。
55.在进行前向频率转换时，第一入射信号的工作频率为第一频率f0，第一出射信号的工作频率为第二频率f0 fm。所述时变调制信号通过所述时变调制信号馈入端口进入一分二功分网络，一路经所述第一电容至所述第一变容二极管处，另一路经所述第二电容至第二变容二极管处。第一入射信号经所述第一金属化通孔、所述第一电感至所述第一变容二极管处。所述变容二极管对所述时变调制信号和第一入射信号进行混频，生成频率为f0±fm
的两路信号，其中频率为f0 fm的信号经所述第一电容、第二电容、第二电感后形成第一出射
信号，频率为f
0-fm的信号在所述第一电容隔处被滤除。
56.在进行后向频率转换时，第二入射信号的工作频率为第二频率f0 fm，第二出射信号的工作频率为第一频率f0。所述时变调制信号通过所述时变调制信号馈入端口进入一分二功分网络，一路经所述第二电容至所述第二变容二极管处，另一路经所述第一电容至第一变容二极管处。第二入射信号经所述第二金属化通孔、所述第二电感至所述第二变容二极管处。所述变容二极管对所述时变调制信号和第二入射信号进行混频，生成频率为f0和f0 2fm的两路信号，其中频率为f0的信号经所述第二电容、第一电容、第一电感后形成第二出射信号，频率为f0 2fm的信号在所述第二电容隔处被滤除。
57.在本发明实施例中，高频端中心频率设计为1.8ghz是指频率大于1.8ghz的信号会被滤除。
58.需要说明的是，图1(c)提供了一种第二频率大于第一频率的馈电电路，第二频率小于第一频率的馈电电路与第二频率大于第一频率的馈电电路相似，相应设计滤波电路即可得到频率为f0和f
0-fm信号。
59.图1(d)为部分馈电电路背面示意图，包含第一电感、第一变容二极管和第一电容，第一电感、第一变容二极管和第一电容采用pcb工艺在金属背板背面电连接。
60.需要说明的是，第二电感、第二电容和第二变容二极管的连接方式与图1(d)相似，整个馈电电路相对于所述时变调制信号馈入端口成轴对称关系。
61.本发明实施例涉及一种基于时变调制信号的非互易性超表面，不依赖磁性材料来打破时间反演对称性实现电磁波非互易性传输，可以与集成电路加工工艺兼容。所发明的非互易性超表面装置，通过调控各单元内调制信号的相位，在前向频率转换和后向频率转换时实现了空间域波束指向的非互易性，可以被应用于带内全双工通信、点对点通信等领域。
62.图2为超表面单元的单元相位值与时变调制信号相位关系曲线实施例。
63.在图2中，横坐标表示时变调制信号相位值，单位度，纵坐标表示某一超表面单元的单元相位值，单位度；实线为前向频率转换时，时变调制信号相位值与超表面单元的单元相位值的关系，虚线为后向频率转换时，时变调制信号相位值与超表面单元的单元相位值的关系。
64.在本发明实施例中，所述非互易性超表面装置的超表面单元采用矩形排列形式，所述超表面单元采用正方形铜辐射贴片，辐射贴片的边长尺寸为超表面中心工作频率处的二分之一介质波长。
65.在本发明实施例中，非互易性超表面的介质基板使用rogers 5880材料，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.575毫米。超表面中心工作频率设计为2.5ghz，高频端中心频率设计为1.8ghz，正方形铜辐射贴片的边长为45毫米。时变调制电路内变容二极管采用skyworks smv1233型号，电感采用20nh贴片电感、电容采用5pf贴片电容。超表面单元数为12
×
12，单元间距为75毫米。
66.从图2可以看出，前向频率转换和后向频率转换过程中，超表面单元的单元相位值与时变调制信号相位值均成线性关系。前向频率转换过程中的单元相位值与时变调制信号相位值的斜率与后向频率转换过程中的单元相位值与时变调制信号相位值的斜率，二者大小相等、符号相反。
67.图2中前向频率转换和后向频率转换过程中单元相位值与时变调制信号相位值的相位关系根据变容二极管的物理特性确定。
68.从图2可以看出，通过确定超表面单元的单元相位值可以确定时变调制信号相位值，相应地，通过调整时变调制信号相位值可以改变超表面单元的单元相位值，从而改变第一出射信号的第一出射俯仰角。
69.在本发明实施例中，当进行前向频率转换时，由第一入射俯仰角和第一出射俯仰角可以确定时变调制信号相位值；当进行后向频率转换时，第二入射俯仰角和第一出射俯仰角相同，此时根据图2的关系曲线，第二出射俯仰角显然与第一入射俯仰角不相等，从而实现了空域波束非互易性。
70.需要说明的是，图2提供了某一个超表面单元的单元相位值与时变调制信号相位值的关系曲线，由所有超表面单元综合的空间波束(第一出射信号和第二出射信号)的相位值与时变调制信号相位值的关系也成线性关系。
71.图3为非互易性超表面装置结构实施例，可用于计算超表面单元的单元相位值。
72.如图3所示，超表面单元按照正方形排列形式均匀排列形成超表面装置，超表面单元的单元间距为d，第一入射俯仰角为θ1，第一出射俯仰角为θ2。
73.所述超表面单元的单元相位值为：
[0074][0075]
k1＝2πf0/c
ꢀꢀꢀ
(2)
[0076]
k2＝2π(f0 fm)/c
ꢀꢀꢀ
(3)
[0077]
其中，i、j分别为超表面单元的行序号、列序号，k1、k2分别为频率为第一、第二频率的信号的波数，θ1、θ2分别为第一入射信号的第一入射俯仰角、第一出射信号的第一出射俯仰角，为第一出射信号的第一出射水平角，c为光速，d为超表面单元之间的单元间距。
[0078]
在本发明实施例中，为波束中心指向球坐标系下的表达，即在超表面装置处建立xyz直角坐标系，其中超表面装置表面形成xy平面，超表面装置法线方向为z轴，θ2为第一出射信号的波束中心指向与法线(z轴)的夹角，为第一出射信号的波束中心指向在xy面上的投影与x轴正向的夹角。需要说明的是，可以是本发明实施例中与x轴正向的夹角，也可以是与x轴负向、y轴正向或负向的夹角，仅与定义方式有关。
[0079]
在本发明实施例中，可通过已知的第一频率、第二频率、第一入射俯仰角、第一出射俯仰角计算每个超表面单元的单元相位值。
[0080]
图4为空域波束非互易性指向实施例，可用于说明空域波束非互异性。
[0081]
在图4中，实线表示前向频率转换过程，虚线表示后向频率转换过程。
[0082]
前向频率转换时，第一入射信号的频率为第一频率，第一入射俯仰角为θ1，经本发明任一实施例所述的非互异性超表面装置反射后，第一出射信号的频率为第二频率，第一出射俯仰角为θ2。
[0083]
后向频率转换时，第二入射信号的频率为第二频率，第二入射俯仰角与第一出射俯仰角大小相同为θ2，经非互异性超表面装置反射后，第二出射俯仰角为θ3。
[0084]
由于θ3≠θ1，实现了空间域波束的非互易性指向。
[0085]
图5(a)为超表面单元相位分布与空域波束指向实施例的前向频率转换分布图，图
5(b)为超表面单元相位分布与空域波束指向实施例的后向频率转换分布图。
[0086]
图5(a)左图为前向频率转换时的超表面单元相位分布图，横坐标表示x-轴方向单元，纵坐标表示y-轴方向单元，横纵坐标共1至12个单元数目，右侧渐变量度条为相位量程，图5(a)右图表示第一出射俯仰角的方向图，横坐标表示角度大小、纵坐标表示幅度大小。
[0087]
图5(b)左图为后向频率转换时的超表面单元相位分布图，横坐标表示x-轴方向单元，纵坐标表示y-轴方向单元，横纵坐标共1至12个单元数目，右侧渐变量度条为相位量程，图5(b)右图表示第二出射俯仰角的方向图，横坐标表示角度大小、纵坐标表示幅度大小。
[0088]
在本发明实施例中，非互易性超表面的介质基板使用rogers 5880材料，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.575毫米。超表面中心工作频率设计为2.5ghz，高频端中心频率设计为1.8ghz，正方形铜辐射贴片的边长为45毫米。时变调制电路内变容二极管采用skyworks smv1233型号，电感采用20nh贴片电感、电容采用5pf贴片电容。超表面单元数为12
×
12，单元间距为75毫米。
[0089]
设计的调制电路所加载的直流偏置电压为1v，时变调制信号的频率fm＝40mhz，调制系数0.17(调制信号幅度0.17v)，第一入射俯仰角为20度，第一出射俯仰角为30度。
[0090]
测试时，在前向频率转换过程，空间中照射平面波(第一入射信号)的第一入射俯仰角20度，测试得到第一出射波束指向为θ2＝30度，如图5(a)所示，设计值与实测值相符。
[0091]
在后向频率转换过程，当平面波(第二入射信号)从θ2＝30度照射超表面时，测试得到第二出射信号的主波束指向θ3＝41度，由图5(b)所示。
[0092]
可见，θ3≠θ1，实现了空间域波束指向的非互易性。
[0093]
图6为非互易性超表面控制方法流程实施例，可用于实现本发明任一实施例所述非互异性超表面装置。
[0094]
一种非互易性超表面控制方法，具体包含以下步骤101～103：
[0095]
步骤101、根据已知的超表面工作频率和第一出射信号的波束宽度，计算超表面单元的尺寸和单元数。
[0096]
在步骤101中，根据已知的超表面工作频率和第一出射信号的波束宽度，可以计算获得超表面单元的尺寸与超表面的单元数，从而设计出整体超表面的结构。
[0097]
具体为，超表面单元的尺寸约为中心工作频率处的二分之一介质波长，超表面的单元数计算如下式4～5：
[0098][0099][0100]
其中，n
x
为超表面x轴单元数，ny为超表面y轴单元数，λ0为中心工作频率处的自由空间波长，为x轴方向第一出射信号的3db波束宽度，为y轴方向第一出射信号的3db波束宽度。
[0101]
需要说明的是，x轴和y轴可以自由设定，这里不做特别限定。第一出射信号的波束宽度是指第一出射信号的3db波束宽度，包含x轴方向3db波束宽度和y轴方向3db波束宽度。
[0102]
步骤102、根据第一入射信号的第一入射俯仰角和第一出射信号的第一出射俯仰角，计算各超表面单元的单元相位值，所述第一入射信号为在进行前向频率转换时的入射
信号。
[0103]
步骤102计算各超表面单元的单元相位值的公式如公式1～3，这里不再赘述。
[0104]
步骤103、根据在前向频率转换和后向频率转换时，时变调制信号相位值与所述单元相位值关系，确定时变调制信号相位。
[0105]
在步骤103中，根据前向频率转换时、时变调制信号相位值与单元相位值的关系，和第一入射俯仰角、第二入射俯仰角，确定时变调制信号相位值。
[0106]
在步骤103中，确定时变调制信号相位值的具体过程在本发明装置实施例中已详细说明，这里不再赘述。
[0107]
进一步地，所述方法还包含：选择合理的直流偏置电压、时变调制信号频率、调制系数、并按照各超表面单元时变调制信号的相位值来控制馈入各超表面单元调制信号端口的时变调制信号相位值。
[0108]
需要说明的是，所述调制系数指的是时变调制信号幅度调制系数，即时变调制信号的幅度平均值与直流偏置电压之比。
[0109]
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0110]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。