[发明专利]一种一比特光控数字式超表面

说明书

本发明公开了一种一比特光控数字式超表面，包括数字式反射型人工电磁表面、与反射型人工电磁表面连接的硅光电池，数字式反射型人工电磁表面由阵列排布的数字单元组成，每个数字单元包括介质基板、位于介质基板下侧的金属地、设置在介质基板上侧的两个金属贴片和设置在两个金属贴片之间并连接二者的变容二极管，金属贴片上下两端均设置有第三电压偏置线。用数码“0”和“1”表示数字单元的两种相位状态，构成一比特数字式超表面。控制照射光的强度，可以远程调控一比特光控数字式超表面的辐射波束，以实现不同的功能。本发明具有设计简便、加工成本低、尺寸小、质量轻等优点，在高性能天线、减小雷达背向散射等方面都有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，涉及一种一比特光控数字式超表面。

背景技术

新型人工电磁材料是由周期性或非周期性亚波长人工单元组成，具有许多自然界中不存在的电磁特性，如负折射、后向传播、完美成像、光学幻觉、隐形遮蔽等。在过去的几十年中，电磁超材料受到了广泛的关注和研究。三维超材料利用空间相位累积的设计方法来控制电磁波的波前，随着频率的增加，损耗大、成本高、制造难度大，在毫米波、太赫兹甚至更高频段的实际应用受到限制。近几年来已经提出了一类新型超薄超材料，称为超表面，可以改善三维超材料的这些不足。

不同于基于等效媒质理论的超材料，用数字比特位描述的数字超材料于2014年被提出，其核心设计思想是：类似于数字信号处理的方法，引入二进制数码来量化相位响应在0到2π之间的不同数字单元。N比特超表面需要2^N个离散相位来表征超表面。例如，1比特超表面有2个离散的相位状态，对应于具有180°相位差的两个数码“0”和“1”。使用不同的空间或频率编码序列，可以很容易地实现所需的电磁波特性，如调控远场辐射、散射、极化状态和波矢模式等。通过在特定数字单元上加载二极管、电磁铁、微机电系统等可调设备，便可实现可重构数字超表面。当外加偏置电压改变时，对应数字单元的辐射的幅度和相位响应也发生改变，从而达到实时控制的效果。然而电控需要外部电源和一系列连接线，这会增加整个系统的复杂度，并可能导致不可预知的串扰。光可在空间自由传播而不需要连接线，因此，可以使用不同强度的光远程照射PIN硅光电池，来改变由PIN硅光电池提供的光伏电压。与现有的电控方法相比，光控的方法为调控电磁波提供了更多的便利。

发明内容

发明目的：本发明提供一种降低了系统的复杂度和串扰、设计简便、加工成本低、质量轻的一比特光控数字式超表面。

技术方案：本发明的一比特光控数字式超表面，包括数字式反射型人工电磁表面、与所述反射型人工电磁表面连接的硅光电池，所述数字式反射型人工电磁表面由阵列排布的数字单元组成，每个数字单元包括介质基板、位于所述介质基板下侧的金属地、设置在介质基板上侧的两个金属贴片和设置在所述两个金属贴片之间并连接二者的变容二极管，金属贴片上下两端均设置有第三电压偏置线，反射型人工电磁表面的阵列中，同一列的数字单元的金属贴片均通过第三电压偏置线串联在一起。反射型人工电磁表面的数字单元排布的阵列划分为多个尺寸相同的超级子单元，每个超级子单元均包括n×n个正方形排列的数字单元，其中n为超级子单元中数字单元的列数和行数。硅光电池的正极通过第一电压偏置线与需要偏置电压的超级子单元中数字单元的一个第三电压偏置线连接，负极通过第二电压偏置线与需要偏置电压的超级子单元中数字单元的另一个第三电压偏置线连接。

进一步的，本发明中，所述硅光电池设置在介质材料上，所述介质材料与数字式反射型人工电磁表面中数字单元的介质基板连为一体。

进一步的，本发明中，所述硅光电池为PIN硅光电池。

进一步的，本发明中，所述硅光电池为多个，且多个硅光电池串联在一起。

进一步的，本发明中，所述硅光电池为变容二极管提供偏置电压。

进一步的，本发明中，所述数字单元中的两个金属贴片对称设置，且尺寸相同。