本發(fā)明涉及一種超寬帶2-bit相位可重構反射陣列及電磁波調控方法，屬于新型人工電磁材料領域。

背景技術：

1、有源反射陣列（active?reflectarray）是一種結合了傳統(tǒng)反射陣列天線和有源電子器件的新型天線技術，旨在通過集成有源器件和反射陣列結構，實現(xiàn)高效率、高靈活性的電磁散射控制。傳統(tǒng)的無源反射陣列是通過調整陣列單元的幾何結構（如貼片尺寸或延遲線）改變反射相位，形成特定波前。但有著帶寬窄、相位調整不靈活的缺陷。隨著半導體技術的發(fā)展，在反射陣列單元中集成有源器件（如pin二極管、變?nèi)荻O管、放大器等）成為可能，從而實現(xiàn)對每個單元的動態(tài)控制。入射電磁波被單元接收后，通過有源電路調整相位（或幅度），再反射回空間。通過獨立控制每個單元的電磁響應，可以實現(xiàn)不同的電磁散射功能。

2、電磁超材料（metamaterials）作為人工設計的復合電磁結構，其核心原理是通過亞波長尺度單元的有序排列實現(xiàn)等效媒質參數(shù)的工程化調控。這類人工結構能夠突破天然材料性能限制，在負折射、電磁隱身等領域展現(xiàn)出重要應用價值。然而，傳統(tǒng)三維超構材料受限于立體排布方式，存在體積龐大、加工成本高、難以靈活部署等工程化難題。針對上述瓶頸問題，二維平面電磁結構應運而生。該技術采用亞波長諧振單元構建平面周期或準周期結構，通過空間編碼方式調控電磁波前相位分布。相比三維超材料，二維平面結構具有剖面低、重量輕、易集成等顯著優(yōu)勢，尤其適用于共形天線等應用場景。但早期無源二維平面電磁結構存在功能固化的局限性：其工作帶寬普遍較低，且缺乏實時可重構能力，嚴重制約了實際系統(tǒng)適應性。為突破無源結構不可調的限制，有源可重構二維周期結構通過在金屬單元中集成半導體器件（如pin二極管、變?nèi)荻O管）實現(xiàn)電磁波的動態(tài)調控。此類有源電磁結構逐步可實現(xiàn)相位可調、幅度可調、幅相聯(lián)合調控等電磁功能。

3、盡管如此，現(xiàn)有可重構二維周期結構在實現(xiàn)2-bit相位調控的電磁功能時，工作帶寬難以超過50%。因此，采用新的設計方法與設計理念實現(xiàn)超寬帶的2-bit相位可重構的電磁功能是目前亟待解決的問題。

4、本發(fā)明提出一種新型超寬帶相位可重構反射陣列設計范式：基于微帶傳輸線的寬帶特性與pin二極管/變?nèi)荻O管的超寬帶工作特點，創(chuàng)新性地設計底部有源微帶電路；結合緊耦合天線的超寬帶電磁波接收與發(fā)射能力，所設計的反射陣列在超寬帶內(nèi)具有散射電磁波的相位調控能力。

技術實現(xiàn)思路

1、技術問題：本發(fā)明的基于新型有源微帶電路的超寬帶2-bit相位可重構反射陣列突破了傳統(tǒng)無源二維平面電磁結構功能固化、帶寬較窄等局限性，同時解決了傳統(tǒng)有源二維平面電磁結構無法在超寬工作頻帶內(nèi)實現(xiàn)相位2-bit動態(tài)調控的難題。在傳統(tǒng)的二維平面電磁結構中，陣列單元內(nèi)的金屬結構多為色散結構，結合介質本身的物理特性，采用電磁諧振的方法實現(xiàn)對空間電磁波的操縱，非常不利于實現(xiàn)超寬帶的電磁功能。本發(fā)明的超寬帶反射陣列實現(xiàn)了用已有的有源器件、采用新的導波結構設計來實現(xiàn)更好的超寬帶電磁性能。

2、技術方案：本發(fā)明的一種超寬帶2-bit相位可重構反射陣列，由若干個相同的陣列單元二維周期排列組成，其特征在于，所述陣列單元包括三層金屬層，第一層金屬層為阻抗變換器層，用于焊接緊耦合天線，第二層金屬層為地層，第三層金屬層為有源微帶電路層，第一層金屬層與第三層金屬層之間設置第一種金屬過孔，第二層金屬層與第三層金屬層之間設置第二種金屬過孔；所述緊耦合天線為立式天線，其上部為頻率選擇表面，下部為微帶巴倫和電偶極子，微帶巴倫的末端設置了匹配枝節(jié)；所述有源微帶電路包括四個pin二極管、四個變?nèi)荻O管、四個隔直電容、五種微帶線和九種直流偏置電路，第一種微帶線的一端通過第一種金屬過孔與阻抗變換器連接；另一端與四個pin二極管的負極相連接；四個pin二極管的正極分別與第二種、第三種、第四種和第五種微帶線連接；四個變?nèi)荻O管分別集成在第二種、第三種、第四種和第五種微帶線與第二種金屬過孔之間；四個變?nèi)荻O管的正極經(jīng)過第二種金屬過孔接地，負極分別經(jīng)過第二種、第三種、第四種和第五種微帶線與對應的pin二極管正極連接；四個pin二極管的正極與四個變?nèi)荻O管的負極之間分別集成了隔直電容；九種直流偏置電路分別連接至第一種微帶線，四個pin二極管的正極與四個變?nèi)荻O管的負極，pin二極管的通斷與變?nèi)荻O管容值的變化通過調節(jié)直流電壓來控制。

3、優(yōu)選的，所述微帶巴倫的底端經(jīng)過焊接與阻抗變換器相連接。

4、優(yōu)選的，所述有源微帶電路包含一個由四個pin二極管構成的單刀四擲開關，以及四個由不同長度微帶線與不同變?nèi)荼茸內(nèi)荻O管組成的射頻通道。

5、優(yōu)選的，所述直流偏置電路為由電感、電容、電阻構成的隔交通直電路，其中，電感感值為83nh，電容容值為150pf，電阻阻值為5ω。

6、優(yōu)選的，所述陣列單元中，第一層金屬層位于上層介質基板的上表面，第二層金屬層位于上層介質基板與中間粘合層之間，第三層金屬層位于下層介質基板下表面；所述上層介質基板的介電常數(shù)為2.94，厚度為1.7mm，損耗角正切為0.0017；中間粘合層的介電常數(shù)為3.5，厚度為0.1mm，損耗角正切為0.0042；下層介質基板的介電常數(shù)為2.65，厚度為0.9mm，損耗角正切為0.0015。

7、優(yōu)選的，所述緊耦合天線為單層印刷電路板，其介質基板的介電常數(shù)為2.94，損耗角正切為0.0017，厚度為1.7mm。

8、優(yōu)選的，所述有源微帶電路中的微帶線的線寬為特征阻抗50歐姆對應的線寬。

9、本發(fā)明還提供一種基于上述超表面的電磁波調控方法，包括如下步驟：緊耦合天線將空間電磁波轉換為導行波后，將導行波傳導至阻抗變換器；阻抗變換器通過第一種金屬通孔將導行波傳導至有源微帶電路中的第一種微帶線；通過將直流偏置電壓在0v和1.3v之間相互切換，可以調控pin二極管的通斷，控制導行波的后續(xù)傳播路徑，即第二種、第三種、第四種或者第五種微帶線；通過在0-15v的范圍內(nèi)改變變?nèi)荻O管的直流偏置電壓實現(xiàn)后續(xù)路徑上變?nèi)荻O管容值的變化，動態(tài)調控導行波的相位；最后，導行波原路返回，被緊耦合天線輻射至自由空間中。

10、有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

11、1.本發(fā)明通過在每個陣列單元內(nèi)集成有源微帶電路，使得該新型反射陣列獲得了制造成本低、工作帶寬大以及系統(tǒng)易集成等優(yōu)勢，在超大帶寬的雷達電子對抗和干擾領域中具有重要的應用前景。

12、2.本發(fā)明采用“接收-處理-發(fā)射”的設計思路，設計思路清晰，可采用該類設計思路快速設計其他電磁功能的陣列單元。在本發(fā)明中的陣列單元內(nèi)，采用緊耦合天線進行空間電磁波的接收與輻射，通過有源微帶電路實現(xiàn)超寬帶的反射相位2-bit可重構的處理。

13、3.本發(fā)明將空間電磁波轉化為導行波進行處理，同時利用微帶傳輸線、pin二極管和變?nèi)荻O管的寬帶工作特性，降低無源金屬結構色散的影響，實現(xiàn)了超大帶寬下2-bit相位可重構的電磁特性。

14、4.本發(fā)明應用的由電阻、電容和電感組成的隔交通直電路技術相比較與傳統(tǒng)的扇形偏置枝節(jié)技術，有著工作帶寬大、占地面積小的特點，在低頻工作電路的設計中有著不可替代的作用。

15、5.本發(fā)明加工方便，易于實現(xiàn)。在本發(fā)明中采用的反射陣列有成熟的低成本加工技術，采用印刷電路板的技術即可制作。