一种基于谐振开口的数字编码超表面的制作方法

1.本发明属于数字编码超表面技术领域，具体涉及一种基于谐振开口的数字编码超表面。


背景技术：

2.数字编码超表面可视为二维形态的电磁超材料，由多个亚波长尺度的单元按照周期性或准周期性地排列而成，能实现对电磁特性的灵活调控；相比于三维超材料，超表面拥有体积小、质量轻、造价低、易共形和易集成等优点，其中，传统超表面的电磁参数是连续调控的，因此可被称为“模拟超表面”，而数字编码超表面则是用离散的数字状态表征电磁特性，用相应的编码序列或编码图案调控电磁波，其简化了超表面的设计流程，降低了设计难度，并提供了更多新颖的数字化调控方法。
3.目前，数字编码超表面调控电磁波常用的方法是在单元中集成无源器件，主要有pin二极管、变容二极管和rf-mess开关等，更重要的是，数字编码超表面建立了物理世界与数字世界的桥梁，可将数字信息论和信号处理中的理论方法用到超表面的设计中，如此，结合有源器件和现场可编程门阵列，数字编码超表面实现了对电磁信息的实时调控，进一步提升了其在未来新型通信系统、成像系统和雷达系统的应用前景。
4.在实际应用过程中，传统的数字编码超表面单元为了实现1bit相位的调控，通常设计有多个pin二极管，而当需要高bit和超大阵列时，就会导致成本随之提高；同时，传统的2bit的数字编码超表面结构设计复杂，在设计过程中，大多依靠经验设计单元结构形状，很难拓展到其他频段和更高的bit；因此，如何提供一种设计复杂度低、成本低，并可以拓展到其他频段和更高的bit的数字编码超表面成为当然研究的热点问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于谐振开口的数字编码超表面，用以解决现有技术中所存在的成本高，以及很难拓展到更高bit的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.第一方面，提供了一种基于谐振开口的数字编码超表面，包括：若干超表面单元，其中，任一超表面单元包括从上至下依次设置的超表面层、接地板以及偏置电路层；
8.所述超表面层表面的一侧设置有至少一个第一谐振开口，所述超表面层表面的另一侧设置有至少一个第二谐振开口，其中，所述第一谐振开口与所述第二谐振开口的数量相同，且相对设置；
9.任一第一谐振开口和任一第二谐振开口内分别设置有一二极管，其中，所述二极管的阴极电连接所述接地板，所述二极管的阳极电连接所述偏置电路层，且所述偏置电路层用于向所述二极管提供不同的偏置电压，以利用不同的偏置电压控制所述二极管的导通与截止，以便基于所述二极管的通断来控制对应侧的第一谐振开口或第二谐振开口工作。
10.基于上述公开的内容，本发明将谐振开口结构引入到超表面设计中，通过调整谐
振开口的尺寸，则可改变其表面感应电流的分布，从而改变谐振频率，产生不同的相位差；同时，本发明在各个谐振开口内设置有一二极管，其中，任一二极管的阴极接地，阳极电连接偏置电路层，如此，即可通过偏置电路层来向二极管施加不同的偏置电压，从而控制二极管的导通与截止，而二极管的通断则决定了其对应谐振开口的工作状态，因此，本发明通过控制二极管的通断来决定对应谐振开口的工作，从而实现多个相位差的调整；另外，将谐振开口引入超表面，在扩展到更高bit时，只需增加更多的谐振开口，且扩展所需的二极管与谐振开口的数量相同，而无需设置多个二极管；由此通过前述设计，本发明所提供的数字编码超表面，结构简单，可实现更高bit的快速扩展，且扩展成本低，适应于在无线通信、卫星通信和雷达通信等领域广泛推广与应用。
11.在一个可能的设计中，所述超表面层的表面开有若干第一金属化通孔，其中，任一第一谐振开口和任一第二谐振开口分别对应一所述第一金属化通孔；
12.所述接地板上绝缘布置有与所述第一金属化通孔位置一一对应的第二金属化通孔，所述偏置电路层上开有与所述第二金属化通孔位置一一对应的第三金属化通孔，其中，任一第一金属化通孔与对应位置处的第二金属化通孔和第三金属化通孔之间形成导电通路，且任一第一谐振开口和任一第二谐振开口内二极管的阳极通过对应侧的第一金属化通孔、第二金属化通孔以及第三金属化通孔电连接所述偏置电路层。
13.基于上述公开的内容，本发明公开各个谐振开口内二极管与偏置电路层的连接结构，即通过在超表面层、接地板以及偏置电路层上开设金属化通孔，来实现二者间的连接；同时，各个第二金属化通孔未与接地板连接，如此，可保证二极管和偏置电路层不接地，从而保障二极管的正常通断控制。
14.在一个可能的设计中，所述接地板上开有与所述第二金属化通孔数量相同的绝缘孔，其中，任一绝缘孔内设置有一所述第二金属化通孔，且任一绝缘孔与对应的第二金属化通孔之间填充有绝缘材料。
15.基于上述公开的内容，本发明通过在接地板上为每个第二金属化通孔配置一绝缘孔，并在每个金属化通孔与对应的绝缘孔之间填充绝缘材料，如此，即可实现二者间的绝缘连接，从而保证第一金属化通孔不接地。
16.在一个可能的设计中，任一第一谐振开口和任一第二谐振开口内二极管的阳极分别通过一相位延迟线电连接对应侧的第一金属化通孔。
17.在一个可能的设计中，所述相位延迟线采用导线或导电贴片。
18.在一个可能的设计中，所述偏置电路层的一侧设置有第一偏置电路，所述偏置电路层的另一侧设置有第二偏置电路，其中，任一第一谐振开口内二极管的阳极电连接所述第一偏置电路，任一第二谐振开口内二极管的阳极电连接所述第二偏置电路。
19.在一个可能的设计中，所述超表面层上还设置有金属贴片，其中，所述金属贴片设置于所述第一谐振开口和所述第二谐振开口之间，且任一二极管的阴极电连接所述金属贴片；
20.所述超表面层上还设置有第四金属化通孔，其中，所述第四金属化通孔的一端电连接所述金属贴片，且所述第四金属化通孔的另一端电连接所述接地板。
21.基于上述公开的内容，本发明公开了任一二极管的接地结构，即在超表面层上设置一金属贴片，并同样设置第四金属化通孔，其中，任一二极管的阴极电连接金属贴片，而
金属贴片则通过第四金属化通孔接地，如此，即可实现任一二极管的接地设置。
22.在一个可能的设计中，还包括：上层介质基板和下层介质基板，其中，所述上层介质基板位于所述超表面层与所述接地板之间，所述下层介质基板位于所述接地板与所述偏置电路层之间。
23.在一个可能的设计中，所述超表面层、所述上层介质基板、所述接地板、所述下层介质基板以及所述偏置电路层的中心位于同一条直线上。
24.在一个可能的设计中，所述超表面层贴装在所述上层介质基板的上表面上，所述接地板贴装于所述上层介质基板的下表面上，且所述下层介质基板的下表面贴装有所述偏置电路层。
25.有益效果：
26.(1)本发明将谐振开口结构引入到超表面设计中，通过调整谐振开口的尺寸，则可改变其表面感应电流的分布，从而改变谐振频率，产生不同的相位差；同时，本发明在谐振开口内设置有二极管，可控制二极管的通断来决定对应谐振开口的工作，从而实现多个相位差的调整；另外，将谐振开口引入超表面，在扩展到更高bit时，只需增加更多的谐振开口，且扩展所需的二极管与谐振开口的数量相同，而无需设置多个二极管；由此，本发明所提供的数字编码超表面，结构简单，可实现更高bit的快速扩展，且扩展成本低，适应于在无线通信、卫星通信和雷达通信等领域广泛推广与应用。
附图说明
27.图1为本发明实施例提供的基于谐振开口的数字编码超表面的结构示意图；
28.图2为本发明实施例提供的基于谐振开口的数字编码超表面在设置有两个谐振开口时的反射系数幅值示意图；
29.图3为本发明实施例提供的基于谐振开口的数字编码超表面在设置有两个谐振开口时的反射相位示意图；
30.图4为本发明实施例提供的以12
×
12个超表面单元组成的数字编码超表面阵列的整体接收示意图；
31.图5为本发明实施例提供的以12
×
12个超表面单元组成的数字编码超表面阵列的编码图案示意图；
32.图6为本发明实施例提供的以12
×
12个超表面单元组成的数字编码超表面阵列在0
°
时的编码图案和辐射方向图；
33.图7为本发明实施例提供的以12
×
12个超表面单元组成的数字编码超表面阵列在10
°
时的编码图案和辐射方向图；
34.图8为本发明实施例提供的以12
×
12个超表面单元组成的数字编码超表面阵列在30
°
时的编码图案和辐射方向图；
35.图9为本发明实施例提供的以12
×
12个超表面单元组成的数字编码超表面阵列在50
°
时的编码图案和辐射方向图。
36.附图标记：1-超表面层；2-上层介质基板；3-接地板；4-下层介质基板；5-偏置电路层；6-第一谐振开口；7-第二谐振开口；8-二极管；9-第一金属化通孔；10-绝缘孔；11-相位延迟线；12-第一偏置电路；13-第二偏置电路；14-金属贴片；15-第四金属化通孔。
具体实施方式
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
38.应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
39.应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
40.实施例：
41.参见图1所示，本实施例所提供的基于谐振开口的数字编码超表面，可以但不限于包括：若干超表面单元，如可以但不限于采用12
×
12个相同的超表面单元周期排列组成，当然，超表面单元的数量可由实际使用而具体设置，在此不限定于前述举例；具体应用时，举例任一超表面单元包括从上至下依次设置的超表面层1、接地板3以及偏置电路层5，其中，所述超表面层1表面的一侧设置有至少一个第一谐振开口6，所述超表面层1表面的另一侧设置有至少一个第二谐振开口7，且在本实施例中，所述第一谐振开口6与所述第二谐振开口7的数量相同，且相对设置；如图1所示，相当于本发明将谐振开口引入超表面的设计结构中，如此，即可通过调整谐振开口的尺寸，来改变表面的感应电流分布，如此，即可实现谐振频率的调整，从而产生不同的相位差。
42.同时，本实施例为实现超表面的数字化控制，还在任一第一谐振开口6和任一第二谐振开口7内分别设置有一二极管8，其中，所述二极管8的阴极电连接所述接地板3，所述二极管8的阳极电连接所述偏置电路层5，如此，相当于使用偏置电路层5来向各个谐振开口内的二极管管8提供不同的偏置电压，从而利用施加的不同偏置电压来控制各个二极管8导通与截止，从而基于各个二极管8的通断，来控制各个二极管8对应第一谐振开口6或第二谐振开口7工作，进而实现多个相位差的调整；具体的，参见图1所示，以一个第一谐振开口6和一个第二谐振开口7组成的2bit数字编码超表面为例，通过控制两谐振开口内二极管8的通断(存在4中通断状态)，可以得到4个反射相位响应，分别为0、π/2、π和3π/2，因此，当为数字编码超表面赋予不同的编码图案时，可以在范围内实现波束扫描。
43.进一步的，在本实施例中，第一谐振开口6和第二谐振开口7可以但不限于设置于超表面层1的宽度方向两侧，也可设置在长度方向两侧；可选的，优选为设置在长度方向两侧，如图1所示；同时，谐振开口的个数和尺寸，也可根据实际使用需求而具体设定，即若需要扩展至2bit数字编码超表面，则设置两个谐振开口，而若要扩展至4bit数字编码超表面，则设置4个谐振开口，如此，本实施例所提供的数字编码超表面，在需要扩展到更高bit时，
只需增加更多的谐振开口，且扩展所需的二极管与谐振开口的数量相同，而无需设置多个二极管，因此，采用本实施例所提供的数字编码超表面，不仅可更容易的实现数字编码超表面的扩展，而且还可大幅降低扩展成本。
44.下述提供各个谐振开口内二极管8与偏置电路层5以及接地板3之间的连接结构：
45.首先，参加参见图1所示，举例所述超表面层1的表面开有若干第一金属化通孔9，其中，任一第一谐振开口6和任一第二谐振开口7分别对应一所述第一金属化通孔9；相应的，所述接地板3上绝缘布置有与所述第一金属化通孔9位置一一对应的第二金属化通孔，所述偏置电路层5上开有与所述第二金属化通孔位置一一对应的第三金属化通孔；在本实施例中，金属化通孔内的孔壁上镀有一层导电金属，如此，前述任一第一金属化通孔9与对应位置处的第二金属化通孔和第三金属化通孔之间则可形成导电通路；基于此，超表面层1上的任一第一谐振开口6和任一第二谐振开口7内二极管8的阳极则可通过对应侧的第一金属化通孔9、第二金属化通孔以及第三金属化通孔电连接所述偏置电路层5，从而实现任一二极管8阳极与偏置电路层5的连接。
46.在本实施例中，将第二金属化通孔与接地板3绝缘设置的原因为：可防止偏置电路层5和二极管8的阳极接地，从而保障二极管8的正常通断控制；可选的，前述第二金属化通孔与接地板3的绝缘设置结构为：参见图1所示，本实施例在所述接地板3上开有与所述第二金属化通孔数量相同的绝缘孔10，其中，任一绝缘孔10内设置有一所述第二金属化通孔，且任一绝缘孔10与对应的第二金属化通孔之间填充有绝缘材料；如此，即可使用绝缘孔10来安装第二金属化通孔，从而建立前述三种金属化通孔之间的导电通路，同时，绝缘孔10与绝缘材料的设置，则可切断二极管8和偏置电路层5与接地板3的连接，保证偏置电路层5对二极管8的正常通断控制。
47.更进一步的，在本实施例中，还可使用其余导通方式，如采用金属连接件来连接超表面层1、接地板3以及偏置电路层5，而二极管8的阳极则电连接金属连接件，如此，也可实现二极管8阳极与偏置电路层6之间的电连接；当然，金属连接件也从绝缘孔10中穿过；另外，举例绝缘材料可以但不限于采用绝缘片、绝缘漆、树脂等，而金属连接件则可以但不限于采用铜棒。
48.其次，在本实施例中，举例任一第一谐振开口6和任一第二谐振开口7内二极管8的阳极分别通过一相位延迟线11电连接对应侧的第一金属化通孔9，参见图1所示，如此，即可在保证二极管8与第一金属化通孔9实现电连接的同时，利用相位延迟线11对二极管8起到固定作用；进一步的，可将相位延迟线11作为二极管8的焊盘，来实现对应二极管8的固定。
49.在本实施例中，举例相位延迟线11可以但不限于采用导线或导电贴片，其中，导电贴片可以但不限于为铜片。
50.参见图1所示，本实施例还在所述偏置电路层5的一侧设置有第一偏置电路12，以及在所述偏置电路层5的另一侧设置有第二偏置电路13，其中，任一第一谐振开口6内二极管8的阳极电连接所述第一偏置电12，而任一第二谐振开口7内二极管8的阳极则电连接所述第二偏置电路13；如此，即可利用偏置电路来实现各个谐振开口内二极管8的通断控制，从而实现各个谐振开口的工作控制，以便完成多个相位差的调整。
51.最后，参见图1所示，下述公开各个谐振开口内二极管8与接地板3之间的连接结构：
52.在本实施例中，举例所述超表面层1上还设置有金属贴片14，其中，所述金属贴片14设置于所述第一谐振开口6和所述第二谐振开口7之间，且任一二极管8的阴极电连接所述金属贴片14；同时，所述超表面层1上还设置有第四金属化通孔15，所述第四金属化通孔15的一端电连接所述金属贴片14，所述第四金属化通孔15的另一端电连接所述接地板3；如此，即可利用金属贴片14和第四金属化通孔15来实现二极管8阴极与接地板3之间的连接。
53.可选的，举例金属贴片14可以但不限于为方形贴片或工形贴片；在本实施例中，优选为方形贴片。
54.另外，在本实施例中，举例任一超表面还包括有上层介质基板2和下层介质基板4，参见图1所示，所述上层介质基板2位于所述超表面层1与所述接地板3之间，所述下层介质基板4位于所述接地板3与所述偏置电路层5之间；具体实施时，举例所述超表面层1贴装在所述上层介质基板2的上表面上，所述接地板3贴装于所述上层介质基板2的下表面上，所述下层介质基板4的下表面贴装有所述偏置电路层5，且所述超表面层1、所述上层介质基板2、所述接地板3、所述下层介质基板4以及所述偏置电路层5的中心位于同一条直线上；如此，即可利用上层介质基板2和下层介质基板4来将超表面层1、接地板3以及偏置电路层5集成为一体，从而构成超表面单元，而通过设置不同数量的超表面单元，即可构成不同bit的数字编码超表面，当然，也可通过调整单元尺寸，来定制任何所需频段的单元。
55.当然，在本实施例中，上层介质基板2上也设置有与第一金属化通孔位置一一对应的第五金属化通孔，而下层介质基板4上则设置有与第二金属化通孔位置一一对应的第六金属化通了，如此，即可保证二极管8阳极与偏置电路的连接，从而实现二极管8的通断控制。
56.由此通过前述设计，本实施例所提供的数字编码超表面，通过将谐振开口结构引入到超表面设计中，并在谐振开口内设置二极管；如此，可通过调整谐振开口的尺寸，来改变表面感应电流的分布，从而改变谐振频率，产生不同的相位差，同时，再借助二极管，即可基于二极管的通断，来控制对应谐振开口的工作，从而实现多个相位差的调整；由此通过前述设计，前述超表面设计结构，在扩展到更高bit时，只需增加更多的谐振开口，且扩展所需的二极管与谐振开口的数量相同，而无需设计多个二极管，不仅提高了扩展的可行性，还降低了扩展成本。
57.在一个可能的设计中，本实施例第二方面提供实施例第一方面所提供的数字编码超表面的仿真实现数据，以进步的验证本发明的可行性。
58.一方面，以2bit的数字编码超表面为例(即设置一个第一谐振开口和一个第二谐振开口)，来进行全波仿真，其仿真过程如下所示：
59.利用电磁仿真软件对2bit的数字编码超表面对应的建模进行全波仿真，单元x，y方向都采用周期边界条件， z方向采用floquet端口激励，并且采用y极化平面波进行照射，如此，可以得到超表面单元；其中，仿真步骤如下所示：
60.步骤一：首先根据微带线理论计算出金属贴片的尺寸，使其谐振频率位于4.85ghz，并得到其相位为θ。
61.步骤二：将第一谐振开口内的二极管导通，调整第一谐振开口的尺寸，使其相位为θ 90
°
。
62.步骤三：将第一谐振开口内的二极管关闭，并导通第二谐振开口内的二极管，调整
第二谐振开口的尺寸，使其相位为θ 180
°
。
63.步骤四：将第一谐振开口和第二谐振开口内的二极管都导通，其相位自然达到θ 270
°
。
64.仿真完毕后，参见图2所示，曲线a，b，c，d分别表示第一谐振开口内的二极管和第二谐振开口内的二极管处于off-off(“00”)，on-off(“10”)，off-on(“01”)和on-on(“11”)四种状态下的反射系数幅值，由图2可知，在4.85ghz处，反射系数幅值分别为0.97，0.80，0.72，0.91，反射系数效率在0.72以上，由此，可证明本实施例所提供的数字编码超表面可将大多数电磁波反射。
65.如图3所示，曲线a1，b1，c1，d1分别表示第一谐振开口内的二极管和第二谐振开口内的二极管处于“00”，“10”，“01”和“11”四种状态下的反射系数相位，从图3中可得知，在4.85ghz处的相位分别为122
°
、31
°
、-73
°
、-140
°
，且两相邻曲线之间的相位差位于(90
°‑
10
°
，90
°
10
°
)，由此，这证明所提出的2-bit编码超表面单元从状态1(“00”)到状态4(“11”)，可以分别产生0，90
°
，180
°
，270
°
的相移。
66.另一方面，为评估数字编码超表面的波束扫描性能，本实施例使用实施例第一方面所提供的超表面单元周期排列组成12
×
12的阵列，在其正前方放置一个喇叭天线作为馈源进行波束扫描性能测试，其中，其整体结构图参见图4所示；具体性能测试时，根据波束方向利用相位补偿公式计算出超表面的编码图案，对其进行全波仿真和分析，其中，每个单元的四种状态分别用四种图案表示“00”状态、“10”状态、“01”状态、“11状态”，如图5所示；同时，为便于阐述，本实施例只列举了30，的波束，波束在时，超表面的编码图案和辐射方向图可参见图6所示，从图6中可以看出在方向上增益最大；同理，得到30，的波束，其编码图案和辐射方向图可参见图7、8和9所示，从上述附图中可以看出，本实施例所提供的数字编码超表面通过对各个谐振开口内二极管的导通与截止的仿真电路进行切换，可以使得每个单元按照所需要的反射相位进行变化，从而实现一定角度的波束扫描特性，波束扫描角度范围为
±
50度；如此通过前述设计，本发明所提供的数字编码超表面，可以降低单元设计的复杂度和成本，并且可以快速拓展到其他频段和更高的bit，适用于广泛应用与推广。
67.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。