[發明專利]一種數字式可編程時空編碼超材料

有效

• 申請號: 201810146430.2
• 申請日: 2018-02-12
• 公開（公告）號: CN108511916B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 崔鐵軍;張磊
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種數字式可編程時空編碼超材料，由時變的人工電磁表面和數字控制模塊兩部分構成。其中，人工電磁表面由時變編碼單元在空間上周期排布構成，每個單元結構集成了一個開關二極管，由數字控制模塊提供不同的偏置電壓，可以呈現不同的電磁響應。基本單元不僅在空間上排布可控，并且在時間維度上按照相應的時間編碼序列周期性循環，可以在頻率域產生相應的諧波能量分布，最終可以實現在空間域和頻率域同時調控電磁波。通過設計時?空編碼矩陣，時空編碼超材料可以實現許多新奇的功能，例如諧波波束掃描，以及散射能量抑制等。此外，探索編碼超材料的時間維度，可以實現超材料頻譜能量的精確控制，在無線通信等領域都有重要的應用前景。

技術領域

本發明屬于新型人工電磁材料領域，具體涉及一種基于可編程時變單元的數字式時空編碼超材料。

背景技術

新型人工電磁材料，亦稱電磁超材料(Metamaterials)，是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期/非周期性地排列，或者植入到基體材料體內(或表面)所構成的一種人工材料。電磁超材料和傳統意義材料的區別在于用宏觀尺寸單元代替了原來微觀尺寸單元(原子或分子)。近些年來，為了減少體超材料的厚度及構造復雜性，單層平面結構的超表面(Metasurfaces)也廣泛地用于調控電磁波。

崔鐵軍教授課題組在2014年提出了數字編碼和可編程超材料的概念，采用數字編碼的方式實現對電磁波的實時調控，區別于基于等效媒質理論的傳統超材料。例如，1比特編碼超材料是兩個數字單元“0”和“1”(分別對應0和π的相位響應)按照一定的編碼序列構成；而2比特編碼超材料是由四個數字單元“00”、“01”、“10”和“11”(分別對應0，π/2,π和3π/2的相位響應)。這種超材料可以通過設計編碼序列來實現對電磁波的調控。此外，在單元上加載有源可調器件，結合FPGA等控制電路可以實現功能實時可切換的可編程超材料。(參考文獻[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,Coding metamaterials,digitalmetamaterials and programmable metamaterials,Light-Science Applications,vol.3,p.e218,Oct 2014.)

以上提到的編碼超材料僅有空間維的編碼，沒有考慮在時間維度上周期變化的編碼，也就是說在某時刻的空間編碼是固定的，僅僅在需要變換功能的時候切換空間編碼。

發明內容

發明目的：本發明目的在于提供一種數字式可編程時空編碼超材料，填補現有的空間編碼超材料在時間維度上的空白，引入時間維度的調制，可以在空間域和頻率域同時調控電磁波，提供了更大的自由度。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種數字式可編程時空編碼超材料，由時變編碼單元在空間上周期排布構成，每個單元結構集成了一個開關二極管，數字控制模塊具有變壓模塊，能夠為二極管提供兩種不同的偏置電壓，使其導通或者關斷，使單元結構呈現對電磁波反射相位差180度的兩種不同電磁響應。每個單元擁有獨立的時間編碼序列，并由數字控制模塊提供的偏置電壓來快速切換，時空編碼超材料在時間維度上按照相應的時間編碼序列周期性循環，可以在頻率域產生對應的諧波能量分布。

進一步地，時變編碼單元在空間上分成若干列，每列的多個單元結構使用相同的偏置電壓，通過數字控制模塊輸出的同一組時間編碼序列進行控制。

進一步地，所述時變編碼單元包括被印刷在介質基片正面的矩形金屬貼片，介質基板背面全部覆銅的反射地板，一個通過金屬過孔連接矩形金屬貼片和反射地板的開關二極管。矩形金屬貼片和地板分別與直流電源的兩極相連為二極管提供偏置電壓。

進一步地，所述的超材料為超表面。

進一步地，所述兩種不同的電磁響應用二進制數字“0”和“1”來表示。