CN108682964B - 一种时域超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时域超材料，包括：n个亚波长尺寸的可调单元，n个亚波长尺寸的可调单元依次排列；可调单元从上至下依次包含5层，第一层为由变容二极管串接的两个矩形贴片，第二层为介质基板，第三层为馈电网络层，馈电网络层的正负极通过介质基板内的金属化通孔分别连接变容二极管两端的矩形贴片，第四层为超薄绝缘层，第五层为金属背板。本发明能够实现调控电磁波的频谱，实现速度隐身，以及用于载波调制构建新框架的通信系统。

Description

一种时域超材料

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料技术领域，尤其是一种时域超材料。

背景技术

传统超材料可通过设计其单元特性以及空间排布，控制电磁波的极化、强度、相位等参数，实现电磁能量的偏折、聚焦、吸波、能量杂散等功能，可用于天线、成像、隐身等领域。然而，传统超材料主要关注电磁能量的空域特性，属于互易、非线性器件。自由空间电磁波空域特性的调控技术相对已十分成熟，而时域特性技术研究几乎没有。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种时域超材料，能够实现调控电磁波的频谱，实现速度隐身，以及用于载波调制构建新框架的通信系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种时域超材料，包括：n个亚波长尺寸的可调单元，n个亚波长尺寸的可调单元依次排列；可调单元从上至下依次包含5层，第一层为由变容二极管2串接的两个矩形贴片1，第二层为介质基板3，第三层为馈电网络层5，馈电网络层5的正负极通过介质基板3内的金属化通孔4分别连接变容二极管2两端的矩形贴片，第四层为超薄绝缘层6，第五层为金属背板7。

优选的，调节可调单元的时域特性实现空间波频谱的调制，调控方式分为时域幅度调制、时域相位调制和时域幅相同调。

优选的，时域超材料通过外加偏置电压控制其反射系数Γ，采用控制器件产生时变信号，实现时变反射系数Γ(t)；当入射波E_i(t)入射到该表面时，反射波可表示为E_r(t)＝E_i(t)·Γ(t)；

采用周期性数字调制方式控制反射系数Γ(t)，假设周期时间为T，一个周期内序列长度为M，每一个码元所占时间为τ＝T/M，则一个周期内的反射系数可表示为：

其中，Γ_m为第m个码元的反射系数；g(t)为周期性脉冲函数，单个周期内可表示为

周期性变化的反射系数可采用傅里叶级数表示为：

其傅里叶变换为：

其中f₀＝1/T，为反射系数的重复频率；δ(f)为单位冲激函数；a_k为第k阶谐波的傅里叶级数，可表示为：

其中，TF为时间因子，UF为单元因子；

UF表征单个脉冲g(t)的频谱特性；TF与Γ_m有关，表征时域编码对频谱的影响；

当入射波入射到时域超材料时，入射波与反射系数的乘积得到反射波：

E_r(t)＝E_i(t)·Γ(t) (7)

其频谱可采用卷积的方式表示：

可进一步表示为：

对于传统器件，反射系数是时不变的，故只存在a₀项，不会出现谐波项；而对于时域超材料，由于反射系数是时变的，所以存在高阶傅里叶级数项，因而可产生非线性特性，可调节频谱。

优选的，将时域超材料分割成不同的区域，不同的区域采用不同的时间控制序列进行调控，实现空间波频谱和远场方向图的同时调控。

本发明的有益效果为：本发明原理新颖，可采用简单的方式对空间电磁波进行时域上的控制，可用于改变空间波频谱特性；与传统具有非线性特性的自然材料相比，本发明是一种动态可调的设计，可通过选取不同编码可对频谱进行多功能的控制，且能量转化效率极高，另外，本发明的设计不限于微波频段，可推广到声波、太赫兹、光学等频段；与传统电路上所采用的混频器件相比，传统设计是对电路上导行波的控制，而本发明是对空间波的控制，通过对反射相位的调节，实现反射系数在复数域调制，不需要传统的IQ多路调制；与传统反射阵天线、频率选择表面、超材料相比，本发明可实现时空同调，不仅可完成传统方向图的调制，还可以进行频谱的调制。

附图说明

图1为本发明的时域超材料模型示意图。

图2(a)为本发明的时域幅度调控1-bit编码示意图。

图2(b)为本发明的时域幅度调控1-bit频谱示意图。

图2(c)为本发明的时域幅度调控2-bit编码示意图。

图2(d)为本发明的时域幅度调控2-bit频谱示意图。

图3(a)为本发明的时域相位调控1-bit编码示意图。

图3(b)为本发明的时域相位调控1-bit频谱示意图。

图3(c)为本发明的时域相位调控2-bit编码示意图。

图3(d)为本发明的时域相位调控2-bit频谱示意图。

图4(a)为本发明时域幅相同调所需要生成的频谱示意图。

图4(b)为本发明时域幅相同调反射系数的幅相分布示意图。

图4(c)为本发明时域幅相同调频谱分布示意图。

图5(a)为本发明的时域超材料结构正视图。

图5(b)为本发明的时域超材料结构左视图。

图5(c)为本发明的时域超材料结构示意图。

图6(a)为本发明不同偏置电压下的反射系数反射幅度仿真结果示意图。

图6(b)为本发明不同偏置电压下的反射系数反射相位仿真结果示意图。

图7为本发明的时域超材料测试示意图。

图8(a)为本发明1-bit实验0阶散射场测试结果示意图。

图8(b)为本发明1-bit实验+1阶和-1阶散射场测试结果示意图。

图8(c)为本发明1-bit实验±1阶频率调制时散射场测试结果示意图。

图9(a)为本发明2-bit实验反射波频谱测试结果示意图。

图9(b)为本发明2-bit实验+1阶和-1阶散射场测试结果示意图。

图10(a)为本发明的时域超材料划分为4个区域示意图。

图10(b)为本发明的时域超材料+1阶散射场测试结果示意图。

其中，1、矩形贴片；2、变容二极管；3、介质基板；4、金属化通孔；5、馈电网络；6、超薄绝缘层；7、金属背板。

具体实施方式

本发明所提出的时域超材料示意图如图1所示，由基本单元周期性排列构成。时域超材料可通过外加偏置电压控制其反射系数Γ。采用控制器件(如FPGA)产生时变信号，实现时变反射系数Γ(t)。当入射波E_i(t)入射到该表面时，反射波可表示为E_r(t)＝E_i(t)·Γ(t)。因此，可通过时变的反射系数，控制反射波时域特性。

本发明采用周期性数字调制方式控制反射系数Γ(t)。假设周期时间为T，一个周期内序列长度为M，每一个码元所占时间为τ＝T/M。则一个周期内的反射系数可表示为：

其中，Γ_m为第m个码元的反射系数；g(t)为周期性脉冲函数，单个周期内可表示为

周期性变化的反射系数可采用傅里叶级数表示为：

其傅里叶变换为：

其中f₀＝1/T，为反射系数的重复频率；δ(f)为单位冲激函数；a_k为第k阶谐波的傅里叶级数，可表示为：

其中，TF为时间因子，UF为单元因子。

可见，UF表征单个脉冲g(t)的频谱特性；TF与Γ_m有关，表征时域编码对频谱的影响。因此，通过选取合适的编码序列，可实现对频谱的调控。

当入射波入射到时域超材料时，入射波与反射系数的乘积得到反射波：

E_r(t)＝E_i(t)·Γ(t) (7)

其频谱可采用卷积的方式表示：

可进一步表示为：

对于传统器件，因为反射系数是时不变的，故只存在a₀项，不会出现谐波项。而对于时域超材料，由于反射系数是时变的，所以存在高阶傅里叶级数项，因而可产生非线性特性，可调节频谱。

本发明所提出的时域超材料通过改变反射系数来调节电磁波时域特性。可分为时域幅度调制、时域相位调制、和时域幅相同调。

时域幅度调制：如图2(a)所示，选取两种反射幅度分别为0和1的两种状态作为基本码元，形成1-bit调制。当采用周期序列01010101...进行调制时，其频谱如图2(b)所示。可见，除了存在0阶分量，还存在高阶谐波。这正是本发明所提出的时域超材料特性。图2(c)为2-bit调制，即选取反射幅度分位为0、1/3、2/3和1这四种状态作为基本码元进行编码，编码序列为00-01-10-11-11-10-01-00-...，其频谱如图2(d)所示，可见，其频谱特性与图2(b)不同之处在于，高阶谐波中，除了±1阶存在，更高阶能量抑制更为明显。选取不同的码元序列，可产生不同的频谱分量。

时域相位调制：时域幅度调制有两个特点：首先是0阶能量无法完全消除，其次是其频谱是对称的。为抑制其0阶能量，以及生成更为复杂的非对称频谱，可以采用时域相位调制。时域相位调制是采用幅度相同、而相位不同的码元进行编码。如图3(a)所示，选取相位差为180°的两种状态按照01010101...序列进行调制，其频谱如图3(b)所示。由于0°和180°的反向特性，0阶谐波能量完全被消除，只存在奇数阶谐波，且频谱对称。当选用相位分别为0°、90°、180°和270°的四种状态作为基本码元，采用最简单的00-01-10-11-...进行2-bit调制时，可实现非对称频谱调制，能量主要集中在+1阶上，这种设计可应用于产生伪多普勒频率，使得回波存在一个频差，让探测系统无法准确探测目标的多普勒频率，从而无法准确探测目标的真实运动速度。

时域幅相同调：更为广泛的调制方式是时域幅相同调。基于这种调制方式，本发明给出一种简单的方法，用于谐波的任意控制，该方法分成两步：首先需要对所需要产生的频谱(如图4(a))进行转化，表示为时间形式，可表示为：

其中E_k表示第k阶频谱分量强度；然后对这连续的Γ(t)做离散化处理，得到所需要的反射序列Γ_m。本例中选取周期序列长度M＝16，其反射序列Γ_m的幅相分布如图4(b)所示。基于这种序列所得到的频谱图如图4(c)所示。对比发现，最终所产生的频谱与期望频谱(图4(a))基本一致。

至此，本发明所提出的时域超材料的理论与调制方法已经介绍完毕。下面，从仿真和实验上验证一种基于时间相位调制的时域超材料。其基本单元正视图和左视图如图5(a)和(b)所示。整个单元共分为5层：第一层为单元结构，由变容二极管2串接的两个矩形贴片1构成；第二层为介质基板3；第三层为馈电网络5，馈电网络5通过介质基板3内部的金属化通孔4连接上层矩形贴片1，实现对变容二极管2馈电；第四层为超薄绝缘层6；第五层为金属背板7，用于防止电磁波透射。由于绝缘层6厚度超薄，因而馈电网络5和金属背板7距离很近，馈电网络5对单元的耦合影响可忽略不计。整个时域超材料由这种基本单元排列构成，如图5(c)所示。

单元的反射系数仿真结果如图6所示，(a)为幅度、(b)为相位，工作频率为3.6GHz。从反射幅度结果可看出，在不同反向偏置下，单元均有较高反射系数；从相位变化曲线可见，单元可通过电压控制获取较大的相位变化。该单元适合于时域相位调制时域超材料。

样品的测试示意图如图7所示，采用发射天线将频率为3.6GHz的电磁波正入射到时域超材料样品上，采用接受天线探测回波。通过FPGA控制电路板，从而给时域超材料施加不同的电压控制序列，实现时间相位调制。

首先进行1-bit实验，选取偏置电压分别为0V和-9V时的反射系数作为码元0和码元1，这两种码元之间相位差约为180°。在调制序列为01010101...时，其反射波频谱测试结果如图8(a)所示：能量主要集中在±1阶上，0阶能量和其余的偶数阶能量均比较低，与理论结果图3(b)一致。在控制电路板不工作时，样品反射系数为时不变，此时的0阶散射方向图如图8(b)实线所示，因为不存在能量非线性转化，所以0阶散射能量较强；而当控制电路板工作时，0阶散射方向图如图8(b)虚线所示，由于能量被转化到其他频率，0阶能量被大幅度削弱。根据图8(a)，此时能量被转移到±1阶，此时±1阶的方向图测试结果如图8(c)所示。

接下来是2-bit实验，选取偏置电压分别为0V、-6V、-9V和-21V时的反射系数作为码元00、01、10、11，不同码元之间反射相位状态为0°、90°、180°和270°。在控制序列为00-01-10-11-...情况下，其频谱分布如图9(a)所示，频谱不再对称，能量主要集中在+1阶上，-1阶能量很小，其结果与理论结果图3(d)一致。此时±1阶的远场方向图如图9(b)所示，可将，+1阶和-1阶方向图轮廓相同，而幅度上存在约15dB的差异。

最后讨论时空同调。以上的测试结果只针对时域调控，测试结果显示，其散射能量主要集中在后向方向(theta＝0°)。在传统的反射阵或者超材料设计中，通过让相位沿表面变化，实现方向图控制。可以借鉴这一方法，采用不同的控制信号控制时域超材料不同的区域，让时域超材料不仅有时变特性、还具备空变特性。如图10(a)所示，将时域超材料分成四个不同的区域，其中两个区域采用控制信号S1控制，而另外两个区域采用控制信号S2控制。当S1＝S2＝{00-01-10-11-...}时，该超材料只有时域特性，其+1阶散射能量测试结果如图10(b)case-I所对应的实线所示，能量主要集中在0°方向，其结果与图9(b)一致，仅为时域控制。当选取S1＝{00-01-10-11-...}，S2＝{10-11-00-01-...}时，两控制信号存在半个周期的时间差，此时相邻区域之间的相位差为180°，因而反射能量必将往左右两个方向分裂。其+1阶散射能量测试结果如图10(b)case-II所对应的虚线所示，能量往约±40度两个方向辐射，方向图与case I相比有较大的变化，这为时空同调。如果采用更复杂的控制方法，该时域超材料将具备更加强大的时空调制能力。因为原理近似，本实施例中不再多加介绍。

本发明从时域控制的角度出发，介绍了可对自由空间波进行编码调制的时域超材料，并进行了实验验证，且将时域调制与传统空域调制结合，拓展出时空同调的方法。此特点使得本发明在雷达领域存在巨大的发展前景，可同时进行目标隐身和速度隐身；同时，亦可用于通信系统，如多信道通信、收发分离、波束赋形、调制与解调等应用方向。

Claims (4)

1.一种时域超材料，其特征在于，包括：n个亚波长尺寸的可调单元，n个亚波长尺寸的可调单元依次排列；可调单元从上至下依次包含5层，第一层为由变容二极管(2)串接的两个矩形贴片(1)，第二层为介质基板(3)，第三层为馈电网络层(5)，馈电网络层(5)的正负极通过介质基板(3)内的金属化通孔(4)分别连接变容二极管(2)两端的矩形贴片(1)，第四层为超薄绝缘层(6)，第五层为金属背板(7)，时域超材料通过外加偏置电压控制其反射系数Γ，采用控制器件产生时变信号，实现时变反射系数Γ(t)。

2.如权利要求1所述的时域超材料，其特征在于，调节可调单元的时域特性实现空间波频谱的调制，调控方式分为时域幅度调制、时域相位调制和时域幅相同调。

3.如权利要求1所述的时域超材料，其特征在于，将时域超材料分割成不同的区域，不同的区域采用不同的时间控制序列进行调控，实现空间波频谱和远场方向图的同时调控。

4.如权利要求1所述的时域超材料，其特征在于，当入射波E_i(t)入射到该表面时，反射波可表示为E_r(t)＝E_i(t)·Γ(t)；

采用周期性数字调制方式控制反射系数Γ(t)，假设周期时间为T，一个周期内序列长度为M，每一个码元所占时间为τ＝T/M，则一个周期内的反射系数可表示为：

其中，Γ_m为第m个码元的反射系数；g(t)为周期性脉冲函数，单个周期内可表示为

周期性变化的反射系数可采用傅里叶级数表示为：

其傅里叶变换为：

其中f₀＝1/T，为反射系数的重复频率；δ(f)为单位冲激函数；a_k为第k阶谐波的傅里叶级数，可表示为：

其中，TF为时间因子，UF为单元因子；

UF表征单个脉冲g(t)的频谱特性；TF与Γ_m有关，表征时域编码对频谱的影响；

当入射波入射到时域超材料时，入射波与反射系数的乘积得到反射波：

E_r(t)＝E_i(t)·Γ(t) (7)

其频谱可采用卷积的方式表示：

可进一步表示为：

对于传统器件，反射系数是时不变的，故只存在a₀项，不会出现谐波项；而对于时域超材料，由于反射系数是时变的，所以存在高阶傅里叶级数项，因而可产生非线性特性，可调节频谱。

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