一种可编程超表面单元、控制方法及控制系统

技术领域

本申请涉及人工电磁材料技术领域，尤其涉及一种可编程超表面单元、控制方法及控制系统。

背景技术

目前，超表面作为一种二维形式的超材料，因其非常兼容当前集成电路工艺、且体积小、厚度薄、损耗低、制造简单以及适合微型化等优点，得到了迅速发展，现已成为超材料最大的分支之一。超表面是将亚波长结构按照周期性或非周期性排列在二维表面上，通过改变材料的有效介电常数和磁导率等参数，调节电磁波的色散特性，实现对电磁波的控制和调制。在微波频带中，超表面被广泛用于极化转换，产生涡旋波束，增强吸收。到目前为止，很多基于超表面的功能器件已经被制造出来，如超透镜、全息图、波片和偏振仪，具有巨大的应用潜力。

随着超表面技术的快速发展，可编程超表面理论应运而生，将超表面单元的反射和透射响应的不同状态用二进制数值0/1来表示。将预先设计的二进制编码序列输入至超表面控制器，实现对整个超表面阵列电磁特性的编程，动态调控电磁波，实现特定的电磁波传播功能。为了切换状态，大部分的可编程超表面是基于有线电控方法的外部激励器件设计的，这需要用大量的馈线将电路和直流电源以及超表面的接口连接起来，会增加系统的设计复杂性。逐渐兴起的光控方式可以通过光以非接触的方式提供驱动信号，具有简化系统装置和减少信号串扰等独特优势。进一步应用光敏电阻可以避免因偏置电路的存在而影响电磁波的传输。

可编程超表面以更高的自由度操纵电磁波的电磁特性，克服了传统超表面一旦被设计制造完成后，其电磁波响应及电磁功能就被固化了，无法再根据实际需求进行改变的问题，可以应对复杂电磁系统的需求，极大丰富了超表面设计。

但是，目前大多数的可编程超表面仅仅局限于对一个或者两个偏振态电磁波的控制，大大限制了其应用范围，实用性和灵活性较差。

发明内容

本说明书实施例提供的一种可编程超表面单元、控制方法及控制系统，用于部分解决现有技术中存在的问题。

本说明书实施例采用下述技术方案：

本说明书提供了一种可编程超表面单元，包括：

金属结构，呈圆环状，其圆环上存在呈品字形的三个开口，其中任意两个开口处均填设有光敏电阻，整体形成一处开口的开口谐振环结构；

顶层薄膜，金属结构印制在顶层薄膜上，以隔绝金属结构在顶层薄膜侧的外界光照；

介质基板和反射背板一体化相贴设置且位于金属结构下方，其整体与顶层薄膜包夹金属结构；且介质基板和反射背板对应两个光敏电阻的位置均设置有光源孔；其中，外部光源通过两个光源孔对两个光敏电阻进行照射以改变两个光敏电阻的阻值并使开口谐振环结构的谐振特性改变。

可选地，所述金属结构通过采用电镀铜工艺印制在顶层薄膜上，两个GT36516光敏电阻焊接在其中两个开口处，两个GT36516光敏电阻感光面朝向介质基板和反射背板。

可选地，所述顶层薄膜携金属结构扣在F4B介质基板一侧，ITO薄膜形成的反射背板粘在F4B介质基板另一侧。

本说明书提供了一种基于上述可编程超表面单元的调控方法，包括：

调节伸入介质基板和反射背板上两个光源孔的两个外部光源处于导通或阻断状态，使两个光敏电阻形成不同阻值情况的多种组合；

基于两个光敏电阻每种阻值情况的组合，对入射电磁波的反射相位进行调节；其中，各光敏电阻阻值情况的组合对应开口谐振环结构的不同谐振特性。

可选地，所述基于两个光敏电阻每种阻值情况的组合，对入射电磁波的反射相位进行调节，具体包括：

当其中一个光敏电阻在外接光源照射下处于低阻状态，通过控制另一光敏电阻的阻值对入射电磁波实现圆极化电磁波的1位共极化反射相位调节；

或者当两个光敏电阻同时在外接光源照射下处于低阻状态，或同时在无照射下处于高阻状态对入射电磁波实现线极化电磁波的1位共极化反射相位调节；

或者当两个光敏电阻分别处于不同阻值状态时对入射电磁波实现线极化电磁波的1位交叉极化反射相位调节。

本说明书提供了一种可编程超表面控制系统，包括：

可编程超表面，包括多个呈阵列排布的上述可编程超表面单元；

发光器件阵列，包括多个对应于各可编程超表面单元光源孔的发光器件，各发光器件分别伸入对应可编程超表面单元的光源孔中，基于各发光器件导通或阻断状态，对各可编程超表面单元两个光敏电阻进行照射以改变两个光敏电阻的阻值，使各可编程超表面单元的开口谐振环结构的谐振特性改变。

可选地，发光器件阵列为LED阵列。

可选地，采用PCB集成工艺将多个2835灯珠集成到铝基板上形成LED阵列，各2835灯珠与可编程超表面中各可编程超表面单元的光源孔位置一一对应。

本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

通过将两个光敏电阻嵌入到金属结构中形成开口谐振环结构，并在介质基板和反射背板上对应两个光敏电阻的位置分别设置光源孔，通过光源孔使两个光敏电阻分别接收外部光源照射。

当对两个光敏电阻进行不同情况的照射时，可使光敏电阻形成不同阻值情况的组合，从而可改变金属结构的谐振特性，对入射电磁波实现不同通道的相位编码，提高了可编程超表面单元形成的可编程超表面的应用范围、实用性和灵活性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本说明书提供的一种可编程超表面单元示意图；

图2为本说明书提供的一种不同通道中超表面单元编码情况示意图；

图3为本说明书提供的一种可编程超表面控制系统示意图；

图4为本说明书提供的一种不同通道中可编程编码超表面单元S参数仿真示意图；

图5为本说明书提供的一种不同通道中二波束编码序列及远场散射仿真示意图。

具体实施方式

为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

为了进一步提高超表面的实用性和灵活性，满足实际应用中智能元器件对高集成度的要求，实现对多种偏振态电磁波的动态调节，本发明提出一种基于LED阵列的自旋解耦可编程超表面单元及可编程超表面控制控制系统，可以在6个通道中定制远场散射模式。这项工作丰富了超表面设计的自由度，提高了超表面在实际中的适应性，具有很强的应用性。更为重要的是，可以提高智能调控超表面的集成度，为其发展奠定了基础，提供了一个新的方向，在移动通信、信息传输、无线覆盖补盲以及自适应智能感知等领域具有广阔的应用前景。

图1为本说明书中一种可编程超表面单元示意图。如图1所示，该可编程超表面单元包括：顶层薄膜(1)、金属结构(2)、金属结构中的光敏电阻(3)、介质基板(4)和反射背板(5)。

具体的，顶层薄膜(1)可采用介电常数ε

金属结构(2)中的金属铜部分在电镀时，呈圆环状，且其圆环上存在呈品字形的三个开口，其中任意两个开口处均填设有光敏电阻(3)，光敏电阻(3)与电镀的金属铜整体形成一处开口的开口谐振环结构，其左右形成对称。光敏电阻可采用GT36516光敏电阻，于是，可将两个GT36516光敏电阻焊接在其中两个开口处。GT36516光敏电阻阻值在黑暗环境下可以达到0.3M欧姆，在光照环境下可以降到100欧姆，其在光照环境和黑暗环境中具备较大阻值差距。当两个光敏电阻都处于黑暗环境中时，金属谐振环处于断开状态，被截断成为三个金属铜部分。当两个光敏电阻都处于光照环境中时，阻值逐渐下降至100欧姆或以下，金属谐振环处于导通状态，金属谐振环的金属铜部分通过两个光敏电阻连接成为一个整体。根据仿真结果，在两种条件下，电磁波反射幅值几乎相等，而反射相位相差180°，满足相位对消的条件。两个光敏电阻的其他光照情况可参考上述说明，不再一一赘述。

对于光敏电阻(3)为高阻值的状态时，可将其编码为状态“0”，反之，当其为低阻值的状态时，可将其编码为状态“1”。可编程超表面单元上加载两个光敏电阻可以产生四种不同的状态，于是可分别用编码“00”、“01”、“10”和“11”表示，其中，四种编码的第一位“0”或“1”表示左光敏电阻的断开或导通状态，第二位“0”或“1”表示右光敏电阻的断开或导通状态。

对于介质基板(4)和反射背板(5)，介质基板(4)可采用介电常数ε

一般的，顶层薄膜(1)和金属结构(2)形成的整体可扣在F4B介质基板一侧，ITO薄膜形成的反射背板(5)粘在F4B介质基板另一侧。当然了，光敏电阻(3)感光面朝向介质基板(4)。

该可编程超表面单元当其中一个光敏电阻在外接光源照射下处于低阻状态，通过控制另一光敏电阻的阻值可对入射电磁波实现圆极化电磁波的1位共极化反射相位调节。或者当两个光敏电阻同时在外接光源照射下处于低阻状态，或同时在无照射下处于高阻状态，可对入射电磁波实现线极化电磁波的1位共极化反射相位调节。或者当两个光敏电阻分别处于不同阻值状态时，可对入射电磁波实现线极化电磁波的1位交叉极化反射相位调节。通过控制光照改变光敏电阻阻值，从而改变金属结构的谐振特性，以实现6通道的相位编码，如图2所示。

图2为本说明书中一种不同通道中超表面单元编码情况示意图，其中，前两列LL通道和RR通道即为圆极化电磁波的1位共极化编码。第三列XX通道和YY通道即为线极化电磁波的1位共极化编码。第四列XY通道和YX通道即为线极化电磁波的1位交叉极化编码。

本说明书还提供了一种基于上述可编程超表面单元的调控方法，包括以下步骤：

S101：调节伸入介质基板和反射背板上两个光源孔的两个外部光源处于导通或阻断状态，使两个光敏电阻形成不同阻值情况的多种组合。

此处的外部光源可以是LED灯珠等小型光源，外接光源可设置在基板上，使其灯珠既可伸入光源孔，又可通过基板将光源孔堵住形成密闭空间，隔绝外界光照对上述可编程超表面单元中光敏电阻的影响。

S102：基于两个光敏电阻每种阻值情况的组合，对入射电磁波的反射相位进行调节；其中，各光敏电阻阻值情况的组合对应开口谐振环结构的不同谐振特性。

进一步的，在本说明书一个或多个实施例中，对入射电磁波的反射相位进行调节时，具体可包括下述情况：

当其中一个光敏电阻在外接光源照射下处于低阻状态，通过控制另一光敏电阻的阻值对入射电磁波实现圆极化电磁波的1位共极化反射相位调节。或者当两个光敏电阻同时在外接光源照射下处于低阻状态，或同时在无照射下处于高阻状态对入射电磁波实现线极化电磁波的1位共极化反射相位调节。或者当两个光敏电阻分别处于不同阻值状态时对入射电磁波实现线极化电磁波的1位交叉极化反射相位调节。

通过上述调节方式可对本发明中可编程超表面单元进行6通道编码，提高了可编程超表面单元的应用范围、实用性和灵活性。

本说明书还提供了一种可编程超表面控制系统，如图3所示，图3为本说明书中一种可编程超表面控制系统示意图。由图3可见，该可编程超表面控制系统包括可编程超表面100，包括多个呈阵列排布的上述可编程超表面单元101。

发光器件阵列200，包括多个对应于各可编程超表面单元101光源孔的发光器件201，各发光器件201分别伸入对应可编程超表面单元101的光源孔中，可编程超表面单元101通过两个光敏电阻分别感应对应发光器件201的照射强度，基于各发光器件201导通或阻断状态，对各可编程超表面单元101两个光敏电阻进行照射以改变两个光敏电阻的阻值，使各可编程超表面单元的开口谐振环结构的谐振特性改变，对入射电磁波的传播特性进行多种调节。

在本说明书一个或多个实施例中，发光器件201可以是LED阵列，优选的，可采用PCB集成工艺将多个2835灯珠集成到铝基板上形成LED阵列，各2835灯珠与可编程超表面中各可编程超表面单元的光源孔位置一一对应。采用2835灯珠，可以保证光敏电阻降到100欧姆以下。2835灯珠的发光角度较小，光束较窄，同时功率较低，可以降低设备工作时的温度。

在F4B介质基板和ITO薄膜上对应光敏电阻的位置处进行打孔作为光源孔。LED阵列上2835灯珠放置于光源孔中，处于一个密闭空间内，可以非侵入式的方式发射光源，不会对周围造成影响，同时可以减小外界光源对光敏电阻的干扰，具有很强的抗干扰性。

对于可编程超表面控制系统，通过控制LED阵列上灯珠的发光强度，改变光敏电阻阻值，改变金属结构的谐振特性，实现不同通道的相位编码。当电磁波入射到编码超表面上时，根据不同的电磁波极化方式，不同的编码序列，可以在6个通道中定制远场散射模式，实现不同的电磁功能。

本发明将光敏电阻作为一个部分完全嵌入到超表面单元中，利用计算机进行编码，控制LED阵列发光强度，改变光敏电阻阻值，调制相位响应，可以实现对多种偏振态电磁波的动态调节，独立操纵共极化反射通道中的正交圆极化波和共极化、交叉极化反射通道的正交线极化波的波前，扩大了可编程数字编码超表面的应用范围，进一步提高超表面的实用性和灵活性，满足了实际中智能元器件对高集成度的要求。

本说明书还提供了不同通道中可编程编码超表面单元S参数仿真示意图，如图4所示。图4中标记为(a)的参数仿真示意图表示左旋圆极化、右旋圆极化电磁波入射情况下共极化反射相位，图4中标记为(b)的参数仿真示意图表示左旋圆极化、右旋圆极化电磁波入射情况下共极化反射幅值。将光敏电阻调节成“11”和“10”状态，当左旋圆极化(LCP)电磁波入射到超表面单元上时，共极化反射相位差在7.7GHz下约为π，对应频率下的共极化反射幅值大致相等。将光敏电阻调节成“11”和“01”状态，当右旋圆极化(RCP)电磁波入射到超表面单元上时，共极化反射相位差在7.7GHz下约为π，对应频率下的共极化反射幅值大致相等。

图4中标记为(c)的参数仿真示意图表示x极化、y极化电磁波入射情况下共极化反射相位，图4中标记为(d)的参数仿真示意图表示x极化、y极化电磁波入射情况下共极化反射幅值。将光敏电阻调节成“11”和“00”状态，当x极化波和y极化入射到超表面单元上时，共极化反射相位差分别在10.5GHz、7.2GHz时约为π，对应频率下的共极化反射幅值大致相等。

图4中标记为(e)的参数仿真示意图表示x极化、y极化电磁波入射情况下交叉极化反射相位，图4中标记为(f)的参数仿真示意图表示x极化、y极化电磁波入射情况下交叉极化反射幅值。将光敏电阻调节成“10”和“01”状态，当x极化波和y极化入射到超表面单元上时，交叉极化反射相位差均在7.8GHz时约为π，对应频率下的交叉极化反射幅值大致相等。

本说明书还提供了不同通道中二波束编码序列及远场散射仿真示意图，如图5所示。图5中标记为(a)～(f)的部分为不同通道中二波束编码序列，标记为(g)～(l)的部分为三维远场散射模式和RCS曲线。

可见，在不同的反射通道内设置不同的编码周期，LL通道周期为M＝2，RR通道周期为M＝3，XX通道周期为M＝4，YY通道周期为M＝5，XY通道周期为M＝6，YX通道周期为M＝7。根据三维远场散射仿真示意图可以看出，可编程编码超表面在六个通道中产生了两个明显的散射光束，验证了本发明提出的集成范式在不同通道中控制电磁波散射或辐射特性的可行性、有效性。

还需要说明的是，本说明书中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，即除了本说明书中列举的要素，还可包括没有明确列出的其他要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。