本發(fā)明涉及一種同頻同極化的全空間可編程超表面單元技術(shù)，屬于新型人工電磁材料和天線技術(shù)的交叉。更為具體的說，是一種工作在4.75ghz的具有全空間電磁場調(diào)控能力且可保證透射電磁波與反射電磁波具有相同極化狀態(tài)的超表面單元，單元根據(jù)外加的偏置電壓的不同可以分別對透射電磁波和反射電磁波實(shí)現(xiàn)相位差為180°的兩種相位響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對透射電磁場和反射電磁場的獨(dú)立的1比特相位調(diào)控，且具有較高的透射率和反射率，可應(yīng)用在天線和無線通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、可編程超表面技術(shù)是目前在天線領(lǐng)域和無線通信領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的新型技術(shù)之一，通過超表面對電磁場的幅度和相位進(jìn)行調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)電磁波波束掃描，聚焦等功能，進(jìn)而在通信中實(shí)現(xiàn)信號補(bǔ)盲，多流傳輸，物理層安全等功能。與傳統(tǒng)的透射式和反射式超表面相比，全空間超表面可以同時(shí)調(diào)控透射電磁場和反射電磁場，因此在室內(nèi)無線通信場景下具有廣發(fā)的應(yīng)用前景。近年來，在傳統(tǒng)的透射式和反射式超表面的基礎(chǔ)上，許多具有全空間波束調(diào)控能力的可編程超表面被提出。但為了減少透射波和反射波之間的干擾，大多數(shù)設(shè)計(jì)的全空間超表面并不能保證同時(shí)對同一頻率的電磁場進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，或無法滿足透射電磁場和反射電磁場具有相同的極化狀態(tài)。但是透射波和反射波之間極化和頻率的不同會造成接收端設(shè)備復(fù)雜，因此亟待開啟同頻同極化的全空間超表面單元的研發(fā)，在同一頻率實(shí)現(xiàn)透射電磁波和反射電磁波獨(dú)立相位調(diào)控，并保證透射波和反射波具有相同的極化狀態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種同頻同極化的全空間可編程超表面單元，通過改變加載在單元上的二極管dtop和二極管d1，d2，d3和d4的偏置電壓的電壓，獨(dú)立地對超表面的透射相位和反射相位進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而達(dá)到對遠(yuǎn)場方向圖的調(diào)控目的。

2、技術(shù)方案：一種同頻同極化的全空間可編程超表面單元，包括：

3、第一介質(zhì)基板層和第二介質(zhì)基板層，兩者之間間隔空氣層；

4、第一金屬結(jié)構(gòu)層，包含“工”形金屬貼片及金屬條，所述“工”形貼片與金屬條通過二極管dtop連接，用于反射電磁波的相位調(diào)控；

5、第二金屬結(jié)構(gòu)層，包含帶開槽的“x”形金屬貼片及圓環(huán)結(jié)構(gòu)，四個(gè)開槽處分別連接二極管d1，d2，d3和d4，用于透射電磁波的相位調(diào)控；

6、第一金屬光柵和第二金屬光柵，分別設(shè)置于介質(zhì)基板層兩側(cè)且夾角為90°，用于極化濾波；

7、所述二極管dtop的導(dǎo)通與截止控制反射相位差180°，二極管d1，d2，d3和d4的組合狀態(tài)控制透射相位差180°，透射波與反射波在4.75ghz頻段下具有相同頻率和極化特性。

8、優(yōu)選的，所述二極管dtop的偏置電壓獨(dú)立調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)反射相位的獨(dú)立控制；二極管d1，d2，d3和d4的偏置電壓通過分組控制(d1、d2導(dǎo)通與d3、d4截止，或d3、d4導(dǎo)通與d1、d2截止)實(shí)現(xiàn)透射相位的獨(dú)立控制。

9、優(yōu)選的，所述第一金屬光柵和第二金屬光柵的金屬條寬度與間隔長度相等，電尺寸為0.001-0.005波長，用于極化轉(zhuǎn)換與濾波。

10、優(yōu)選的，所述第一介質(zhì)基板層和第二介質(zhì)基板層的電尺寸厚度為0.04-0.1波長，空氣分隔層的電尺寸厚度為0.01-0.1波長。

11、優(yōu)選的，所述透射電磁波和反射電磁波的幅度均大于-3db，相位差為180°±5°，工作頻率為4.75ghz。

12、優(yōu)選的，所述單元的總寬度p的電尺寸為0.1-1波長，金屬層的電尺寸厚度為0.0001-0.01波長。

13、優(yōu)選的，所述“工”形金屬貼片的電長度約為0.3波長；“x”形金屬貼片的對角線電長度為0.5波長。

14、本發(fā)明還提供一種可編程超表面陣列，其特征在于，由所述的全空間可編程超表面單元周期性排列組成，用于實(shí)現(xiàn)全空間波束賦形與動態(tài)調(diào)控。

15、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)

16、1.與傳統(tǒng)的透射式或反射式可編程超表面單元相比，本發(fā)明通過頂層的“工”形貼片和在兩個(gè)光柵之間的“x”形貼片實(shí)現(xiàn)了對水平極化的入射波的反射相位調(diào)控和對垂直極化的入射波的透射相位調(diào)控可同時(shí)獨(dú)立地調(diào)控透射和反射電磁波，具有更為廣泛的應(yīng)用前景。

17、2.與現(xiàn)有的全空間可編程超表面單元相比，本發(fā)明在保證了反射率和反射相位差的同時(shí)，通過加載了二極管的“x”形金屬貼片的極化轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)和兩側(cè)用于極化濾波的金屬光柵實(shí)現(xiàn)了高透射率和穩(wěn)定的透射相位差。

18、3.與現(xiàn)有的全空間可編程超表面單元相比，由于透射調(diào)控部分的“x”形金屬貼片具有更極化翻轉(zhuǎn)功能，因此其垂直極化入射波可以被轉(zhuǎn)化為水平極化的透射波，通過優(yōu)化“x”形金屬貼片和“工”形貼片貼片的尺寸，可以使得該超表面實(shí)現(xiàn)同頻率下的透射波和反射波調(diào)控。本發(fā)明透射與反射電磁波具有相同的頻率和極化狀態(tài)，可有效的簡化接收端設(shè)備的復(fù)雜度。

19、4與現(xiàn)有的全空間可編程超表面單元相比，本發(fā)明僅包含四層金屬和兩層介質(zhì)，加工簡單，加工成本更低。

技術(shù)特征：

1.一種同頻同極化的全空間可編程超表面單元，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全空間可編程超表面單元，其特征在于，所述二極管dtop的偏置電壓獨(dú)立調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)反射相位的獨(dú)立控制；二極管d1，d2，d3和d4的偏置電壓通過分組控制(d1、d2導(dǎo)通與d3、d4截止，或d3、d4導(dǎo)通與d1、d2截止)實(shí)現(xiàn)透射相位的獨(dú)立控制。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全空間可編程超表面單元，其特征在于，所述第一金屬光柵(4)和第二金屬光柵(6)的金屬條寬度與間隔長度相等，電尺寸為0.001-0.005波長，用于極化轉(zhuǎn)換與濾波。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全空間可編程超表面單元，其特征在于，所述第一介質(zhì)基板層(1)和第二介質(zhì)基板層(2)的電尺寸厚度為0.04-0.1波長，空氣分隔層的電尺寸厚度為0.01-0.1波長。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全空間可編程超表面單元，其特征在于，所述透射電磁波和反射電磁波的幅度均大于-3db，相位差為180°±5°，工作頻率為4.75ghz。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全空間可編程超表面單元，其特征在于，所述單元的總寬度p的電尺寸為0.1-1波長，金屬層的電尺寸厚度為0.0001-0.01波長。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全空間可編程超表面單元，其特征在于，所述“工”形金屬貼片的電長度約為0.3波長；“x”形金屬貼片的對角線電長度為0.5波長。

8.一種可編程超表面陣列，其特征在于，由權(quán)利要求1-7任一所述的全空間可編程超表面單元周期性排列組成，用于實(shí)現(xiàn)全空間波束賦形與動態(tài)調(diào)控。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明是一種同頻同極化的全空間可編程超表面單元，該單元包括依次排列的兩層介質(zhì)基板和金屬結(jié)構(gòu)，兩個(gè)介質(zhì)基板之間由空氣分隔，其中金屬結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)夾角為90°的金屬光柵以及兩個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)。在金屬諧振結(jié)中集成了五個(gè)二極管，分別名為D<subgt;top</subgt;，D<subgt;1</subgt;，D<subgt;2</subgt;，D<subgt;3</subgt;和D<subgt;4</subgt;，且二極管的導(dǎo)通和截止可由外加直流電壓控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對透射電磁波和反射電磁波相位的獨(dú)立控制。其中D<subgt;top</subgt;的狀態(tài)控制反射相位；D<subgt;1</subgt;，D<subgt;2</subgt;，D<subgt;3</subgt;和D<subgt;4</subgt;的狀態(tài)控制透射相位。該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在4.75GHz頻率下對電磁波的透射和反射相位的獨(dú)立調(diào)控，在保證了反射電磁波和透射電磁波具有相同極化特性的同時(shí)保證其透射率和反射率大于?3dB，應(yīng)用在全空間波束調(diào)控和無線通信等領(lǐng)域當(dāng)中。

技術(shù)研發(fā)人員：崔鐵軍,吳瑞元,石浩天
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15