[发明专利]一种多维度可调控数字编码超表面

说明书

本发明公开了一种多维度可调控数字编码超表面，包括M×M个超表面单元，超表面单元包括上层介质基板、金属地板、中层介质基板、上层反射挡板、下层介质基板和下层反射挡板，在上层介质基板上刻蚀有寄生枝节的金属贴片，金属贴片上设有PIN二极管，在下层介质基板上下表面分别设有上层反射挡板和下层反射挡板，在中层介质基板和下层介质基板下表面设有直流馈电网络；每组超表面单元通过直流馈线相连，并与单片机控制系统连接，通过切换PIN二极管上的偏压，实现电磁波极化的相互转换。超表面对垂直于表面入射的电磁波具有很强的调控功能，通过外部电路实时控制超表面阵列单元状态排布，可以实现异常反射，雷达截面缩减，极化旋转的功能。

技术领域

本发明属于人工电磁表面技术领域，具体涉及一种用于可应用于雷达截面积缩减、电控可调控的多维度可调控数字编码超表面，可用于在8GHz-12GHz 频带内同时实现对同极化和交叉极化的调控。

背景技术

电磁超材料作为一种新技术，自诞生以来，因其独特的电磁特性而受到极为广泛的关注，并迅速发展成为涉及物理、化学、材料、信息等领域的前沿交叉学科。相较于早期只能实现单一功能的电磁超表面，多功能超表面可以实现对于电磁波的多个维度的调控，其应用场景也更加广泛，各个国家和机构都在不断推进多维超材料的工业化应用。

极化是电磁波的属性之一，极化旋转超表面就是借助超表面的各向异性，将入射电磁波的极化方向改变至另一方向上。一般来说，超表面可以分为两种类型：透射型和反射型，传统的超表面通常只能在反射状态或透射状态下工作，并且只有单一的功能。近年来，人们在微波波段提出了一些多功能超表面，它们可以对来波进行不同程度的调控，然而，一旦设计完成，这些超表面的功能就不会改变，针对传统超表面的缺陷，进一步提出了超表面可重构技术。

实现超表面可重构的技术可分为机械方式和电控方式两大类。机械重构速度慢、空间受限、控制复杂、精度易受机械误差影响；电控方式具有响应速度快、集成度高、设计灵活等突出优点，但结构相对复杂一些。最近，通过利用数字状态表征电磁参数，提出了编码超表面的概念，将信息层面的数字技术与物理层面的超表面技术直接联系起来，通过对不同状态的超表面单元进行预定功能的编码排列，即可实现对电磁波的既定调控。这种对超材料单元的编码方式大大减小了设计的复杂度，使得对超表面的设计更加灵活，并且能够保证对电磁波良好的调控效果。

随着编码超表面技术的发展，多功能超表面在近十年来发展迅速，具体应用包括极化转换，RCS减缩，天线的圆极化等领域。但是现有的多功能超表面，一般工作带宽窄、且只能针对电磁波的交叉极化进行调控，对同极化调控的研究很少，或是例如因为超表面自身结构原因，没有实现可重构的功能。例如， Chun sheng Guan在其发表的论文“Dual-polarized multiplexed meta-holograms utilizing coding metasurface”(NANOPHOTONICS，2020)提出的同时操纵交叉极化和共极化的方法，但因为系统结构复杂，无法进行可重构化设计，因此，现有的超表面应用场景受到一定限制。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种多维度可调控数字编码超表面，包括反射型可重构超表面和与其相连接的单片机控制系统，用于解决对同极化调控不足的问题。该超表面对垂直于表面入射的电磁波具有改变波束指向，改变极化的功能，且功能切换灵活。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种多维度可调控数字编码超表面，包括M×M个超表面单元，超表面单元包括自上而下依次分布的上层介质基板、金属地板、中层介质基板、上层反射挡板、下层介质基板和下层反射挡板，在上层介质基板上刻蚀有寄生枝节的金属贴片，在金属贴片上设有PIN二极管，在下层介质基板上下表面分别设有上层反射挡板和下层反射挡板，在中层介质基板和下层介质基板下表面设有直流馈电网络；

金属贴片穿过上层介质基板、金属地板、中层介质基板、上层反射挡板和下层介质基板的金属化过孔，与直流馈电网络连接；