基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面

本发明涉及超宽带可调电磁波的新型超材料天线，特别是基于一比特实现超宽带透射式数字超构表面的方法。

背景技术：

1、无线通信技术的快速发展，对超宽带、高速率等的需求日益增多。超宽带天线是超宽带无线系统中不可缺少的重要组成部分，超宽带技术能够广泛应用于无线通信、雷达、定位、探测及控制等领域，这无疑使天线承担了很重要的的角色，也使得超宽带天线及阵列成为了近年来的研究热点以及超宽带通信技术中的重要研究方向之一。

2、传统的超构表面通常用于实现对窄带信号的控制，即在有限的频率范围内实现特定的电磁波调控。然而，传统超构表面无法满足超宽带通信、雷达等的需求。正是在这样的背景下，许多新型的超宽带超构表面被提出。实现超宽带电磁波的调控方法有多种，其中常见的方法包括：相控阵天线，其显著的优点是，通过调整单元天线的相位差就可以实现对发射或接收波束方向的控制。但需要引入大量的移相器和复杂的控制网络，系统的复杂度和成本极高。而多层频率选择表面方法，可以选择性的投射、反射或者吸收特定频率范围内的电磁波，多层频率选择表面在雷达和电磁隐身等技术应用广泛。但是，以上这些方法由于固有的特性而具有有限地工作带宽，为了改善带宽，基于一比特数字超材料，引入新型结构设计，实现超宽带频率范围内的电磁调控设计。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：

2、为了解决现有透射式数字超表面窄宽带而影响无线通信及雷达等在电磁调控方面的应用，本发明提供一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

4、一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面，其特征在于，包括若干个成n×n排布的一比特透射式数字编码超材料单元；

5、所述一比特透射式数字编码超材料单元由交替排列的4层金属层和3层介质层组成，依次为：发射层金属贴片、上层介质基板、金属地板、半固化粘结片、偏置层、下层介质基板、接收层金属贴片；

6、在所述发射层金属贴片上设有pin二极管ⅰ、pin二极管ⅱ，通过偏置层对pin二极管ⅰ、pin二极管ⅱ施加两种不同的偏置电压，可以使一比特透射式数字编码超材料单元的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“0”和数码“1”。

7、本发明进一步的技术方案：所述发射层金属贴片为中间加载pin二极管的两个反向箭头的蝶形贴片构成，接收层金属贴片为中间半箭头贴片和上下对称的四个切角贴片构成，两者通过单元中心的金属化连接孔相连接；发射层金属贴片通过接地过孔与金属地板相连接，接收层金属贴片通过金属化偏置连接孔与偏置层相连接。

8、本发明进一步的技术方案：所述偏置层包含了两个对称放置的扇形片和圆孔，并在曲折线拐角处设有另外一个扇形。

9、本发明进一步的技术方案：所述上层介质基板和下层介质基板厚度为h＝1.524mm，相对介电常数为εr＝3.55。

10、本发明进一步的技术方案：所述半固化粘结片厚度为h＝0.2032mm，相对介电常数为εr'＝3.52。

11、一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面的超宽带波束扫描方法，其特征在于，将馈源位于基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面的中心轴线方向上，馈源发出的入射波照射到基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面，经过一比特透射式数字编码超材料单元提供的一比特数字编码调制后，可以实现超宽带波束扫描。

12、本发明进一步的技术方案：所述馈源采用线极化喇叭天线或微带天线。

13、一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面的涡旋电磁波生成方法，其特征在于，为了生成轨道角动量模态为l的涡旋电磁波，任意一比特透射式数字编码超材料单元(3)的理论补偿相位为其中，f为馈源(1)到超表面的垂直距离，x和y为任意单元相对超表面中心的横坐标与纵坐标，λ为入射波的波长；将补偿相位δ进行一比特量化得到δq：

14、

15、其中，相位量化态δq＝0对应于数码“0”，相位量化态δq＝π对应于数码“1”。

16、本发明的有益效果在于：

17、本发明提供的一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面，由特殊设计的一比特透射式超材料单元所构成，通过施加两种不同的偏置电压，就可以使得透射式超材料单元的透射相位呈现180度相位差，两种相位状态分别用于表征数码“0”和数码“1”，通过控制超构表面阵列单元的金属贴片几何形状，就可以实现更高带宽的电磁超构表面；通过施加特定的偏置电压来控制超表面单元的编码分布，就可以实现超宽带范围内的波束扫描。本发明所采用的新型数字式超宽带透射阵列超构表面，具有传输稳定性高、成本低、易加工和灵活度高等诸多优点，为现代无线通信和雷达系统等领域对于超宽带传输的需求提供了新的思路。

18、与现有技术方案相比，本发明具有如下的有益效果：

19、1、与传统相控阵相比，本发明所涉及的新型超宽带透射式数字编码超表面，无需复杂的馈电及控制网络，整体结构非常简洁，便于运输及收藏；

20、2、与传统反射式或透射式编码超构表面相比，本发明所涉及的基于透射式数字超构表面，采用蝶形贴片后，能够实现更大带宽范围内的波束扫描，为无线通信、雷达系统等提供良好的应用前景；

21、3、本发明所涉及的超宽带透射式数字超构表面，采用常规的pcb工艺，易于加工，便于量产，并具有厚度小、成本低和集成度高等优点。

1.一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面，其特征在于，包括若干个成n×n排布的一比特透射式数字编码超材料单元(3)；

2.根据权利要求1所述一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面，其特征在于，所述发射层金属贴片(303)为中间加载pin二极管的两个反向箭头的蝶形贴片构成，接收层金属贴片(312)为中间半箭头贴片和上下对称的四个切角贴片构成，两者通过单元中心的金属化连接孔(306)相连接；发射层金属贴片(303)通过接地过孔(304)与金属地板(307)相连接，接收层金属贴片(312)通过金属化偏置连接孔(311)与偏置层(309)相连接。

3.根据权利要求1所述一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面，其特征在于，所述偏置层(309)包含了两个对称放置的扇形片和圆孔，并在曲折线拐角处设有另外一个扇形。

4.根据权利要求1所述一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面，其特征在于，所述上层介质基板(305)和下层介质基板(310)厚度为h＝1.524mm，相对介电常数为εr＝3.55。

5.根据权利要求1所述一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面，其特征在于，所述半固化粘结片(308)厚度为h＝0.2032mm，相对介电常数为εr'＝3.52。

6.一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面的超宽带波束扫描方法，其特征在于，将馈源(1)位于基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面的中心轴线方向上，馈源(1)发出的入射波照射到基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面，经过一比特透射式数字编码超材料单元(3)提供的一比特数字编码调制后，可以实现超宽带波束扫描。

7.根据权利要求6所述一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面的超宽带波束扫描方法，其特征在于，所述馈源(1)采用线极化喇叭天线或微带天线。

8.一种基于一比特超宽带透射式数字编码超构表面的涡旋电磁波生成方法，其特征在于，为了生成轨道角动量模态为l的涡旋电磁波，任意一比特透射式数字编码超材料单元(3)的理论补偿相位为其中，f为馈源(1)到超表面的垂直距离，x和y为任意单元相对超表面中心的横坐标与纵坐标，λ为入射波的波长；将补偿相位δ进行一比特量化得到δq：