一种宽带的1bit可实时编程智能表面

1.本发明涉及电磁超表面技术领域，尤其涉及一种宽带的1bit可实时编程智能表面。


背景技术：

2.超材料是一种具备超常物理性能的亚波长人工复合材料，它的特征尺寸远小于工作波长，通过电磁理论来设计和排列其结构，可以实现一些自然界材料所不能实现的超常的物理性能，比如负折射率、逆多普勒效应等。超材料的这种奇异特性是近年来或者未来材料科学、应用电磁学、光电子学等多个交叉学科的研究热点和前沿。
3.三维结构的超材料虽然可以任意地操控电磁波，但高损耗的特性和复杂的制作过程限制了它的应用。直到2003年，c.l.holloway首次提出了超表面这一概念，并定义了广义表面转变条件来作为理论依据。超表面也叫智能表面，是一种由亚波长尺寸结构构成的二维平面阵列，它在保持了超材料优异的电磁性能的同时，比三维结构的超材料更易制作和加工。再加上其独特的电磁性能和平面结构的特点，不仅可以极大地降低加工难度，还方便集成在器件上。
4.在超表面的实际运用中，人们发现并非在所有的应用场景下都需要状态数非常多的超表面单元，在许多应用下只需要有两个状态的超表面单元就足以应对，这便是1bit的超表面单元。此外，为了更方便地切换超表面的不同状态，在实际应用中往往需要可以即时编程的超表面单元。不过目前这方面的研究还不够成熟和深入，研究者们所提出的1bit可实时编程的超表面单元往往带宽十分狭窄，这极大地限制了超表面单元的实际应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种宽带的1bit可实时编程智能表面，其解决了现有技术中存在的目前的1bit可实时编程的超表面单元的带宽十分狭窄的问题。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种宽带的1bit可实时编程智能表面，由m*n个相同结构的电磁超表面单元组成，其中m和n都为大于等于1的整数；所述电磁超表面单元为多层结构，沿其层级方向分别设置为第一金属贴片、第一介质板、金属地、第二介质板和第二金属贴片。
8.本发明进一步设置为：所述第一金属贴片的形状由两个椭圆形十字交叉形成，包括第一椭圆和第二椭圆，在第一椭圆的一端处连接有第一矩形贴条，所述第一矩形贴条的中段上设置有二极管，所述第一矩形贴条上远离第一金属贴片的一端连接有环形贴片；所述第二椭圆的两端处分别开设有圆形通孔。
9.本发明进一步设置为：所述第二金属贴片包括扇形贴片和t形贴片，所述t形贴片包括横向贴条和纵向贴条，所述横向贴条的中部连接在所述扇形贴片的圆心角处，所述纵向贴条的一端连接在横向贴条的中部。
10.本发明进一步设置为：所述m＝6,所述n＝6。
11.本发明进一步设置为：所述第一椭圆和第二椭圆的形状大小相同，其长轴的尺寸为20mm，短轴的尺寸为18.5mm。
12.本发明进一步设置为：所述环形贴片的内径和圆形通孔的内径相同，为1mm。
13.本发明进一步设置为：所述第一介质板、金属地和第二介质板的尺寸均为62.5mm
×
62.5mm。
14.本发明进一步设置为：所述第一矩形贴条的宽度为0.35mm，所述第一矩形贴条的长度为5.6mm。
15.本发明进一步设置为：所述第一介质板是介电常数为2.65，厚度为5mm的f4b板材。
16.本发明进一步设置为：所述第二介质板是介电常数为3.54，厚度为0.1016mm的ro4450f板材。
17.本发明具有以下技术效果：
18.1、二极管的通断对应着第一椭圆的顶端的接地和不接地，因此可以导致两种情况下被反射的电磁波存在着约180度的相位差。二极管的通断由第二金属贴片上的结构控制，每个单元的每个二极管的通断都可以实时控制。
19.2、本发明工作在2.45ghz附近，相对带宽为14.5％，可以通过改变每个超表面单元的状态来实时控制目标频段的电磁波的分布强度。本发明能够提供带宽更宽的超表面单元。
附图说明
20.图1为本实施例中的智能表面的正面结构示意图；
21.图2为本实施例中的智能表面的背面结构示意图；
22.图3为本实施例中的电磁超表面单元的正面结构示意图；
23.图4为本实施例中的电磁超表面单元的背面结构示意图；
24.图5为本实施例中电磁超表面单元的层级结构示意图(仅表示层级关系)；
25.图6为本实施例中电磁超表面单元两种状态反射电磁波的相位差表；
26.图7为接收天线在本实施例的智能表面下于2.45ghz处接收到的信号强度表。
27.上述附图中：1、第一金属贴片；2、第一介质板；3、金属地；4、第二介质板；5、第二金属贴片；6、第一椭圆；7、第二椭圆；8、第一矩形贴条；9、二极管；10、环形贴片；11、圆形通孔；12、扇形贴片；13、横向贴条；14、纵向贴条；15、t形贴条。
具体实施方式
28.下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
29.一种宽带的1bit可实时编程智能表面，如图1和图2所示，由m*n个相同结构的电磁超表面单元组成，其中m和n都为大于等于1的整数，在本实施例中具体为m＝6、n＝6。
30.如图3-5所示，电磁超表面单元为多层结构，沿其层级方向分别设置为第一金属贴片、第一介质板、金属地、第二介质板和第二金属贴片。其形成方式为，第一介质板、金属地和第二介质板之间通过压制形成，在第一介质板和第二介质板远离金属地的一端，用光刻腐蚀的方法制成第一金属贴片或者第二金属贴片。
31.第一介质板、金属地和第二介质板的尺寸均为62.5mm
×
62.5mm。第一介质板是介电常数为2.65，厚度为5mm的f4b板材；第二介质板是介电常数为3.54，厚度为0.1016mm的ro4450f板材。
32.其中第一金属贴片的形状由两个椭圆形十字交叉融合形成，包括第一椭圆和第二椭圆，并且第一椭圆和第二椭圆的形状和大小相同，它们的长轴尺寸为20mm，短轴尺寸为18.5mm。
33.在第一椭圆的一端处链接有第一矩形贴条，第一矩形贴条的宽度为0.35mm，第一矩形贴条的长度为5.6mm。在第一矩形贴条的中段上设置有二极管，在第一矩形贴条上远离第一金属贴片的一端连接有环形贴片，环形贴片的内径为1mm。在第二椭圆的两端处分别开设有圆形通孔，圆形通孔的内径为1mm。
34.第二金属贴片包括扇形贴片和t形贴片，t形贴片包括横向贴条和纵向贴条，横向贴条的中部连接在所述扇形贴片的圆心角处，纵向贴条的一端连接在横向贴条的中部。其中，扇形贴片的弧度设置在30
°
到120
°
，本实施例中选用120
°
。扇形半径选用四分之一波长左右，本实施例中扇形贴片的扇形半径为12.8mm，扇形贴片选用扇形的作用是保护直流电源免受泄露的微波信号的损害。横向贴条的尺寸为36mm
×
0.2mm，纵向贴条的尺寸为31.15mm
×
0.2mm。
35.该电磁超表面单元实现宽带1bit可实时编程的机理为：二极管的通断对应着第一椭圆的顶端的接地和不接地，因此导致了两种情况下被反射的电磁波存在着约180度的相位差。
36.二极管的通断由第二金属贴片上的结构控制，具体为：二极管的一端连接着金属的环形贴片，通过环形贴片的通孔接地，是负极。二极管另一端连接着第一金属贴片，第一金属贴片上又有两个左右对称的圆形通孔，圆形通孔处与第二金属贴片的横向贴条的两端连接，然后横向贴条又与纵向贴条连接，纵向贴条连接外接电源的正极。于是当电源给高电压时，二极管导通；给低电压时，二极管断开。
37.每个超表面单元的二极管的通断都可以实时控制。
38.本发明工作在2.45ghz附近，相对带宽为14.5％，可以通过改变每个超表面单元的状态来实时控制目标频段的电磁波的分布强度。
39.图6给出了所述超表面单元两种状态反射电磁波的相位差，从曲线可以看出在2.30～2.66ghz范围内单元两种状态反射的电磁波具有180
°±
50
°
的相位差，这便是所述的作用频带。
40.图7给出了实际测试中，环境内某一点处放置的接收天线在所述智能表面的十种状态下于2.45ghz处接收到的信号强度。由于电磁超表面由许多个单元构成，每个单元的状态都有接通和断开两种，所以整个表面会有很多种状态，比如所有的单元都是接通的，或者是所有的单元都是断开的，或者是一半单元接通，一半单元断开的。本实施例中说的十种状态，是单元随机断开和接通的十种状态。
41.从曲线可以看出，在这十种状态下接收天线接收到的信号强度差别最大可以相差25db，可见所述智能表面对电磁场的分布强度起到了调控的作用。
42.综上所述，本实例基于所述电磁超表面单元，构建了宽带1bit可实时编程的智能表面，实现了调控电磁场的分强度的作用。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的
技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。