一种智能超表面

1.本发明涉及电磁隐身和新型人工电磁材料领域，特别是涉及一种智能超表面。


背景技术：

2.电磁隐身材料应用广泛，可用于保护敏感的电子设备免受干扰信号影响，吸收雷达或干扰器发出的外部信号。传统的电磁隐身材料，如铁氧体，多晶体纤维和石墨纤维等，体积大，重量大且价格昂贵。为了克服传统材料的缺陷，目前许多器件基于人工电磁结构，如吸波器，漫散射器等已被广泛用作电磁隐身材料，用于传输特定频率的工作信号，同时屏蔽/吸收其他频率的信号。然而，上述电磁隐身器件都依赖频率选择性消除带外电磁信号，易受与工作器件相同频率的干扰信号影响。因此，研制既能带内正常工作(透波)，又能自主识别和屏蔽带内强干扰信号的智能电磁隐身材料，对电子系统带内、带外信号进行有效防护具有广阔前景。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种智能超表面，可实现无需人工干预，不依赖外部供电，自主识别和屏蔽带内强电磁信号。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种智能超表面，包括：可重构超表面和与所述可重构超表面连接的自感知供电模块；
6.所述可重构超表面包括多个周期排列的可重构超表面单元；所述自感知供电模块包括多个自感知供电单元；
7.每个所述可重构超表面单元包括从上到下依次设置的第一重构层、第一介质基板、金属环层、第二介质基板和第二重构层；所述第一重构层和所述第二重构层结构相同；
8.每个所述自感知供电单元包括从上到下依次设置的第一金属贴片、第三介质基板、第二金属贴片、第四介质基板、金属缝隙层、第五介质基板和整流电路层。
9.可选地，所述第一重构层包括第一矩形环形金属贴片、第一矩形金属贴片、4个等腰梯形金属贴片和4个pin二极管；
10.4个所述等腰梯形金属贴片的腰线连接，形成矩形环；所述第一矩形环形金属贴片设置在4个所述等腰梯形金属贴片外；所述第一矩形金属贴片设置在4个所述等腰梯形金属贴片内；所述等腰梯形金属贴片通过所述第一矩形金属贴片与所述pin二极管串联。
11.可选地，所述金属环层包括第二矩形环形金属贴片、多个第二矩形金属贴片和多个第一金属柱；
12.所述第一金属柱的一端与所述第一重构层连接；所述第一金属柱的另一端与所述第二矩形金属贴片的一端连接；所述第一金属柱分别与所述第二矩形金属贴片和第二矩形环形金属贴片垂直；所述第二矩形金属贴片设置在所述第二矩形环形金属贴片内；每个所述第二矩形金属贴片的另一端均与所述第二矩形环形金属贴片的一个边长的中点连接；每
个所述第二矩形金属贴片均与连接的中点对应的边垂直。
13.可选地，所述可重构超表面单元还包括第二金属柱；所述第一金属柱用于连接所述第一重构层和所述第二重构层。
14.可选地，所述金属缝隙层包括第一缝隙结构和第二缝隙结构；所述第一缝隙结构与所述第二缝隙结构的图像相同；所述第一缝隙结构包括第一横边、第二横边和竖边；所述竖边的两端分别与所述第一横边和所述第二横边连接；所述第一横边和所述第二横边平行；所述竖边与所述第一横边和所述第二横边均垂直；所述第一缝隙结构的竖边和所述第二缝隙结构的竖边相互垂直。
15.可选地，所述整流电路层包括两个相同且正交的整流电路。
16.可选地，所述第一介质基板、所述第二介质基板、所述第三介质基板、所述第四介质基板和所述第五介质基板均为f4b介质基板。
17.可选地，多个周期排列的可重构超表面单元之间的网络为并联形式。
18.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
19.本发明提供的智能超表面，包括：可重构超表面和与所述可重构超表面连接的自感知供电模块；所述可重构超表面包括多个周期排列的可重构超表面单元；所述自感知供电模块包括多个自感知供电单元；每个所述可重构超表面单元包括从上到下依次设置的第一重构层、第一介质基板、金属环层、第二介质基板和第二重构层；所述第一重构层和所述第二重构层结构相同；每个所述自感知供电单元包括从上到下依次设置的第一金属贴片、第三介质基板、第二金属贴片、第四介质基板、金属缝隙层、第五介质基板和整流电路层。本发明通过自感知供电模块中多层金属贴片层接收强电磁波辐射，并经过金属缝隙层将能量耦合到整流电路层，最终通过整流电路层输出直流电压供可重构超表面动态调控电磁波，无需外部供电，在实现对己方信号全透的同时，能满足对外界强干扰信号的智能隐身及屏蔽的需求，具有适应未来自适应隐身的能力。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明提供的智能超表面结构示意图；
22.图2为可重构超表面单元结构示意图；
23.图3为自感知供电单元结构示意图；
24.图4为自感知供电单元中双极化天线的s参数，增益状态图；
25.图5为自感知供电单元中双极化天线的远场方向图；
26.图6为自感知供电模块中整流电路的输出电压，整流效率状态图；
27.图7为前向波入射可重构超表面，无偏置电压时的透射率状态图和加载偏置电压时的吸收率状态图；
28.图8为后向波入射可重构超表面，加载偏置电压时的反射率状态图。
29.符号说明：
30.1-第一重构层，2-第一介质基板，3-金属环层，4-第二介质基板，5-第二重构层，6-第一金属柱，7-第二金属柱，8-第一金属贴片，9-第三介质基板，10-第二金属贴片，11-第四介质基板，12-金属缝隙层，13-第五介质基板，14-整流电路层，15-自感知供电模块，16-可重构超表面。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
32.本发明的目的是提供一种智能超表面，可实现无需人工干预，不依赖外部供电，自主识别和屏蔽带内强电磁信号。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.如图1所示，本发明提供的一种智能超表面，包括：可重构超表面16和与所述可重构超表面16连接的自感知供电模块15；所述可重构超表面16包括多个周期排列的可重构超表面单元；其中，周期排列相邻可重构超表面单元之间的间距相等；所述自感知供电模块15包括多个自感知供电单元；自感知供电单元为多层叠合结构；每个所述可重构超表面单元包括从上到下依次设置的第一重构层1、第一介质基板2、金属环层3、第二介质基板4和第二重构层5；所述第一重构层1和所述第二重构层5结构相同；每个所述自感知供电单元包括从上到下依次设置的第一金属贴片8、第三介质基板9、第二金属贴片10、第四介质基板11、金属缝隙层12、第五介质基板13和整流电路层14。第一金属贴片8和第二金属贴片10均为矩形贴片。通过自感知供电模块15接收强电磁波辐射，并输出直流电压供可重构超表面16动态调控电磁波，实现智能隐身及屏蔽功能。
35.如图2所示，可重构超表面16由20*18周期单元构成，且单元间的馈电网络为并联形式。偏置电压对20*18周期单元统一调控。可重构超表面单元馈电网络由四个相同偏置回路并联组成，具体由第一重构层，金属环层，第二重构层，第一金属柱，第二金属柱和pin二极管构成。可重构超表面单元具有极化不敏感特性。
36.所述第一重构层1包括第一矩形环形金属贴片、第一矩形金属贴片、4个等腰梯形金属贴片和4个pin二极管；4个所述等腰梯形金属贴片的腰线相邻设置，但不接触；所述第一矩形环形金属贴片设置在4个所述等腰梯形金属贴片外；所述第一矩形金属贴片设置在4个所述等腰梯形金属贴片内；所述等腰梯形金属贴片通过所述第一矩形金属贴片与所述pin二极管串联。pin二极管在正向偏置电压为0v和0.7v时分别具有未导通和导通两种状态。具体的说，pin二极管在导通和未导通两种状态下的内部等效电路不同，从而对入射到的电磁波形成不同响应。
37.所述金属环层3包括第二矩形环形金属贴片、4个第二矩形金属贴片和4个第一金属柱6，本发明中，第二矩形金属贴片和第一金属柱6有多个，在实际应用中为4个，其中所述4个第二矩形金属贴片分别与第二矩形环形金属贴片和4个第一金属柱6相连；所述第一金属柱6的一端与所述第一重构层1连接；所述第一金属柱6的另一端与所述第二矩形金属贴
片的一端连接；所述第一金属柱6分别与所述第二矩形金属贴片和第二矩形环形金属贴片垂直；所述第二矩形金属贴片设置在所述第二矩形环形金属贴片内；每个所述第二矩形金属贴片的另一端均与所述第二矩形环形金属贴片的一个边长的中点连接；每个所述第二矩形金属贴片均与连接的中点对应的边垂直。第一重构层1与金属环层3通过四根中心对称，且位于距可重构超表面单元中心3mm处的第一金属柱6贯穿第一介质层2相连。
38.所述可重构超表面单元还包括第二金属柱7；所述第一金属柱6用于连接所述第一重构层1和所述第二重构层5。第一重构层1与所述第二重构层5通过位于可重构超表面单元中心的第二金属柱7贯穿第一介质层2和第二介质层4连接，如图2所示。
39.可重构超表面单元金属结构材料为铜。可重构超表面单元结合五层结构中的金属贴片结构、第一金属柱6、第二金属柱7与pin二极管，实现导通回路，对应单元馈电网络由四个相同导通回路并联组成，且单元呈中心对称，具有宽带、极化不敏感、角度不敏感的特性。多个周期排列的可重构超表面单元之间的网络为并联形式。
40.如图3所示，所述金属缝隙层12是在金属铜层上进行镂空处理形成缝隙，包括第一缝隙结构和第二缝隙结构；所述第一缝隙结构与所述第二缝隙结构的图像相同；所述第一缝隙结构包括第一横边、第二横边和竖边；所述竖边的两端分别与所述第一横边和所述第二横边连接；所述第一横边和所述第二横边平行；所述竖边与所述第一横边和所述第二横边均垂直；所述第一缝隙结构的竖边和所述第二缝隙结构的竖边相互垂直。
41.所述第一介质基板2、所述第二介质基板4、所述第三介质基板9、所述第四介质基板11和所述第五介质基板13均为f4b介质基板。
42.自感知供电模块15由2*5个自感知供电单元组成。每个自感知供电单元由双极化贴片天线和整流电路组成，金属缝隙层12包括2个相互垂直的h形缝隙结构，所述整流电路层14包括两个形状相同且位置相互垂直的整流电路，其中一个整流电路由矩形金属贴片与整流二极管串联组成，将微波能量转换成直流电压，如图3所示。
43.自感知供电单元金属结构材料为铜。自感知供电模块15高度集成于可重构超表面16中，呈2*5阵列形式分布于可重构超表面16顶部及底部。每个自感供电单元的输出电压相互独立，呈并联形式给可重构超表面16供电。自感知供电模块15的正极与可重构超表面16的偏置网络的正极相连；自感知供电模块15的负极与可重构超表面16的偏置网络的负极相连，其中自感知供电模块15中整流电路层14输出为正极，金属缝隙层12为负极；可重构超表面16中第二重构层5为正极，金属环层3为负极。如图4所示，自感知供电单元中双极化天线工作频段为5.5-7.75ghz，平均增益大于5.5dbi，其远场方向图结果如图5所示。自感知供电单元中整流电路工作频段为4-8ghz，当外加负载为100ω时，稳定输出电压平均为2.1v，且整流效率约40％，如图6所示。
44.工作原理：当低功率电磁波入射智能超表面时，自感知供电模块15输出电压较低，可重构超表面16无偏置电压加载，其对前向、后向入射波展现出相同的透波响应；当高功率电磁波入射智能超表面时，自感知供电模块15将入射能量转化为直流电压，实现自供电。可重构超表面16加载由自感知供电模块15的输出电压时，第一重构层1与第二重构层5中的pin二极管响应不同，其对前、后向入射波展现出不同的电磁响应。默认状态下，超表面对己方低功率信号全透。当高功率信号入射时，对于前向入射波入射超表面时，智能超表面可吸收来波，因而自适应地从透波状态切换至吸波状态，实现智能带内隐身；对于后向入射波入
射智能超表面时，智能超表面可有效反射电磁波，因而自适应地从透波状态切换至反射状态，实现对来波的带内屏蔽。
45.低功率电磁波入射智能超表面时，自感知供电模块15输出电压较低，使得可重构超表面单元无偏置电压加载，对前向(+z方向)，后向(-z方向)电磁波入射均呈现透波状态，透波率大于80％，工作带宽为5.49-7.29ghz，如图7所示。高功率电磁波入射智能超表面时，自感知供电模块15将入射能量转化为直流电压，实现自供电。对前向电磁波入射，智能超表面的工作状态自适应地由透波状态转化成吸波状态，吸波率大于80％，工作带宽为5.2-7.38ghz，如图7所示。
46.当可重构超表面16加载由自感知供电模块15输出的直流电压时，对于后向电磁波入射，智能超表面具有反射特性，反射率大于50％，工作带宽为4-6.25ghz，如图8所示。
47.本发明提供的可重构超表面16中的单元工作在5.5-7.25ghz，若将单元尺寸进行调整，可以灵活调整其工作频段并满足良好的感知、动态调控电磁波一体化的性能。
48.可重构超表面16，用于实现对不同入射方向电磁波的透射/吸收/反射动态调控。自感知供电模块15，用于感知外界电磁波能量，并输出直流电压到可重构超表面16上。通过自感知模块中多层金属贴片层接收强电磁波辐射，并经过金属缝隙层12将能量耦合到整流电路层14，最终通过整流电路输出直流电压供可重构超表面16动态调控电磁波。本发明的技术方案无需外部供电，在实现对己方信号全透的同时，能满足对外界强干扰信号的智能隐身及屏蔽的需求，具有适应未来自适应隐身的能力。
49.本发明的原理分为电磁波动态调制原理和自感知原理。其中，电磁波动态调制原理为：改变所述可重构超表面单元上的偏置电压，使得pin二极管内部的等效电路发生改变。基于此，本发明可以对不同方向入射的电磁波进行透射/反射/吸收状态动态调控。感知原理为：通过所述自感知供电模块15接收强电磁波辐射，并输出直流电压供可重构超表面16动态调控电磁波。
50.与现有技术相比，本发明可以实现带内透波和隐身/屏蔽自适应切换，无需外部供电及控制模块，自主感知外界强电磁干扰信号，实现自适应隐身及屏蔽。并且，其电磁波动态调控能力和自感知能力均具有宽带，极化不敏感，角度不敏感的特性。
51.相比已有的电磁防护器件，本发明偏置网络设计精巧，单元控制方便且单元间馈电网络为并联形式，具有稳定性高，实用性强，适用范围广的优点。
52.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的结构及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种智能超表面，其特征在于，包括：可重构超表面和与所述可重构超表面连接的自感知供电模块；所述可重构超表面包括多个周期排列的可重构超表面单元；所述自感知供电模块包括多个自感知供电单元；每个所述可重构超表面单元包括从上到下依次设置的第一重构层、第一介质基板、金属环层、第二介质基板和第二重构层；所述第一重构层和所述第二重构层结构相同；每个所述自感知供电单元包括从上到下依次设置的第一金属贴片、第三介质基板、第二金属贴片、第四介质基板、金属缝隙层、第五介质基板和整流电路层。2.根据权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，所述第一重构层包括第一矩形环形金属贴片、第一矩形金属贴片、4个等腰梯形金属贴片和4个pin二极管；4个所述等腰梯形金属贴片的腰线连接，形成矩形环；所述第一矩形环形金属贴片设置在4个所述等腰梯形金属贴片外；所述第一矩形金属贴片设置在4个所述等腰梯形金属贴片内；所述等腰梯形金属贴片通过所述第一矩形金属贴片与所述pin二极管串联。3.根据权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，所述金属环层包括第二矩形环形金属贴片、多个第二矩形金属贴片和多个第一金属柱；所述第一金属柱的一端与所述第一重构层连接；所述第一金属柱的另一端与所述第二矩形金属贴片的一端连接；所述第一金属柱分别与所述第二矩形金属贴片和第二矩形环形金属贴片垂直；所述第二矩形金属贴片设置在所述第二矩形环形金属贴片内；每个所述第二矩形金属贴片的另一端均与所述第二矩形环形金属贴片的一个边长的中点连接；每个所述第二矩形金属贴片均与连接的中点对应的边垂直。4.根据权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，所述可重构超表面单元还包括第二金属柱；所述第一金属柱用于连接所述第一重构层和所述第二重构层。5.根据权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，所述金属缝隙层包括第一缝隙结构和第二缝隙结构；所述第一缝隙结构与所述第二缝隙结构的图像相同；所述第一缝隙结构包括第一横边、第二横边和竖边；所述竖边的两端分别与所述第一横边和所述第二横边连接；所述第一横边和所述第二横边平行；所述竖边与所述第一横边和所述第二横边均垂直；所述第一缝隙结构的竖边和所述第二缝隙结构的竖边相互垂直。6.根据权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，所述整流电路层包括两个相同且正交的整流电路。7.根据权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，所述第一介质基板、所述第二介质基板、所述第三介质基板、所述第四介质基板和所述第五介质基板均为f4b介质基板。8.根据权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，多个周期排列的可重构超表面单元之间的网络为并联形式。

技术总结
本发明公开一种智能超表面，涉及电磁隐身和新型人工电磁材料领域，超表面包括可重构超表面和与所述可重构超表面连接的自感知供电模块；所述可重构超表面包括多个周期排列的可重构超表面单元；所述自感知供电模块包括多个自感知供电单元；每个所述可重构超表面单元包括从上到下依次设置的第一重构层、第一介质基板、金属环层、第二介质基板和第二重构层；所述第一重构层和所述第二重构层结构相同；每个所述自感知供电单元包括从上到下依次设置的第一金属贴片、第三介质基板、第二金属贴片、第四介质基板、金属缝隙层、第五介质基板和整流电路层。本发明能实现无需人工干预，不依赖外部供电，自主识别和屏蔽带内强电磁信号。自主识别和屏蔽带内强电磁信号。自主识别和屏蔽带内强电磁信号。


技术研发人员：周永金 吴雄斌
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/8/28