太赫兹电控分集切换双频段可重构智能表面

1.本发明涉及超材料以及电磁功能器件领域，具体涉及太赫兹电控分集切换双频段可重构智能表面。


背景技术：

2.太赫兹(terahertz，thz)波是一种亟待开发的新型电磁波谱，通常指频率介于0.1thz～10thz范围内的电磁波。该频率范围位于毫米波与红外、光之间，具有许多独特的电磁特性，因而使其在物理、化学、电子信息﹑成像、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测﹑国家安全与反恐、通信与雷达等领域具有极其重要的潜在利用价值。
3.超表面是物理和信息领域的研究热点之一，但是传统静态的超表面一旦制备完成，其功能就被固定下来，无法根据不同的环境需求实时调控电磁波，实现不同的功能。从20世纪90年代人工微结构超表面到2010年的编码超表面概念，再到2014年崔铁军院士提出信息编码超表面，超表面的形式已经从无源被动发展到了智能可控、数字化可编程等主动方式，可称之为智能可重构表面(reconfigurable intelligent surface,ris)。ris是massive mimo的演变，它只对传入的信号进行反射或折射，不需要射频链路，避免了硬件复杂度和功耗的问题，并且可以进一步提升多天线规模，获得更高的波束赋形增益。到目前为止，已经出现了大量基于二极管和变容管的电控可重构超表面，编码形式已逐渐从单一的相位编码扩展到振幅-相位联合编码和极化编码等，双频ris辅助的mimo架构更能在发射天线数量方面具有可扩展性，运用在通信系统中能够减小信号之间的串扰，增大系统的容量。国内外研究的双频ris多数工作在微波和毫米波频段，一般为高频结构和低频结构上下分层和高低频结构同层设计。而对于太赫兹频段的双频ris，由于工艺受限难以实现多层结构，而单层结构的带宽和效率受限。对比文献，zhang,n.,et al."programmable coding metasurface for dual-band independent real-time beam control."ieee journal on emerging and selected topics in circuits and systems pp.99(2020)：1-1，其双频结构的实现方法是把将两组不同频段且不同大小的谐振结构堆叠在一个结构上形成双层的结构。单层的双频结构，是把高频结构和低频结构左右排布或者嵌套排布，只要两个频段的隔离度足够做到阻抗匹配，就会在一个单元结构上有两个频段的谐振状态。上述的结构工作频率段大多都在毫米波段，并且都一般基于铁氧体材料、正-本征-负二极管、场效应晶体管等开关阵列来实现。铁氧体材料体积大，成本高且不易于集成，而半导体开关的损耗大、高频结构与低频结构之间串扰大和线性度差等问题阻碍了双频ris在太赫兹波段的应用。
4.本发明针对以往的hemt晶体管-超表面相位调制结构的频段控制单一的缺陷，提出了基于hemt晶体管-超表面微结构复合阵列极化分集实现双频段的相位调制，由于hemt晶体管的排布方式与不同极化方向的太赫兹波相对应，所以根据它的排布方式能够设计出复合左右型的结构，该结构能够在一个单元内的不同极化方向的表现出隔离度较好的两个频段，目前为止还没有出现极化分集的太赫兹ris。极化复用是多种极化共同使用一个谐振频带。与极化复用不同，极化分集是在单元结构上对hemt的方向设置，以实现在低频段对x
极化方向的太赫兹波的相位进行控制，在高频段对y极化方向的太赫兹波的相位进行控制，从而达到对两个极化方向的分集调控。在太赫兹频段由于目前加工技术的局限性难以实现打孔和多层结构的加工，该极化复用的结构的优点就是实现馈线复用，布线更简单，总体工艺较为简单。从仿真结果的角度看，高低频隔离度大，通过交叉极化方式实现双频的带宽，相较于以往的电控二极管的频率复用结构，使用hemt晶体管控制频率段更高，编码状态数更多，通道数更多，相较于以往的无外加电源的静态频率复用结构控制更灵活。双频ris工作方式是准光，同时在移相的180
°
频段范围内可以进一步实现1bit列控编码的波束扫描和波束赋形，采用外部电控手段控制复合超表面微结构阵列的电子气特性和谐振模式，并对太赫兹波进行相位编码调控。该技术是目前国际上最前沿的研究之一，它提供了一种实现先进扫描技术的全新途径。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易加工、损耗小的可调控双频段的相移阵列。
6.为了实现以上技术目的，本发明采用的技术方案是：
7.太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，包括自下而上逐层设置的金属底板、介质基板和相移结构层；
8.所述相移结构层包括以m
×
n正交阵列方式设置的相移单元，每一列相移单元都有阳极引出线和阴极引出线；
9.每个相移单元包括三个偶极子，所述偶极子为工字形结构，由两个t型枝节按顶点相对设置构成；
10.t型枝节由一个横向谐振片和一个纵向谐振片连接构成，同一个偶极子中两个t型枝节的横向谐振片由第三谐振片连接，构成开口谐振环，两个顶点之间为开口；
11.t型枝节沿纵向谐振片的中线对称，t型枝节的顶点处设置有金属条，金属条的长边垂直于所在t型枝节的对称轴；同一偶极子的两个t型枝节的顶点之间设置有欧姆贴片，在欧姆贴片上设置有掺杂异质线，掺杂异质线与两个长方形金属条的长边平行且等距；
12.三个偶极子中，两个偶极子的对称轴皆沿行线方向设置，称为a类偶极子；另外一个偶极子的对称轴沿列线方向设置，称为b类偶极子；
13.a类偶极子位于阳极引出线的一侧，b类偶极子位于阳极引出线的另一侧，掺杂异质线通过阳极引出线连接至该列的阳极连接点，开口谐振环通过阴极引出线引出至阴极连接点。
14.进一步地，所述金属底板的金属包括铝﹑银、金中的一种或多种。
15.进一步地，所述介质基板的材质包括蓝宝石、高阻硅、inp、gaas、碳化硅中的一种或多种。
16.进一步地，所述m、n皆为大于2的整数。
17.进一步地，同一相移单元中，两个b类偶极子的开口方向相反，皆为背离对方的方向。
18.进一步地，每一列相移单元都有一条阳极引出线和两条阴极引出线，两条阴极引出线分别设置于阳极引出线的两侧，a类偶极子的第三谐振片与阴极引出线部分重合。
19.进一步地，所述金属条的形状为长方形。
20.进一步地，所述欧姆贴片的材料包括ti、al、ni、au中的一种或多种。
21.进一步地，所述掺杂异质线的材料包括algan、gan、ingan、gan、algaas、gaas中的一种或多种。
22.进一步地，所述a类偶极子的尺寸大于b类偶极子。
23.【#补充说明：a类偶极子与b类偶极子，长约2：1，宽4：3】
24.本发明的有益效果是：
25.(1)本发明的晶体管具有快速调制功能，所以将其作为本发明的核心动态功能材料，可实现高速的相移特性。
26.(2)本发明中采用二维平面人工微结构，通过极化分集使用一大两小工字型偶极子结构，在不同的极化方向上使得单层阵列实现对太赫兹波两个频段的相位调控，比普通的人工微结构多了频段控制的特点，并且该结构简单可通过微细加工手段实现，工艺成熟，易于制作。
27.(3)本发明通过电控来进行工作，从而实现相位的动态宽带调控。而不需要外加光激励、温度激励等其他较为复杂的激励方式，使得该器件在小型化、实用化与产量化方面具有很大的优势。
28.(4)本发明通过hemt二维电子气浓度的快速改变实现了偶极子谐振和lc谐振模式。由于单元在断开或者连通状态时，在不同极化方向的两个频段都具备两个谐振。相比传统的相位延迟线结构，该阵列对hemt二维电子气浓度变化敏感，拥有低开关比工作特性。
附图说明
29.图1为可重构智能表面的结构示意图；
30.图2为相移单元结构示意图，其中(a)为侧视方向示意图，(b)为俯视方向示意图；
31.图3为在两个极化方向下单元结构的幅值和相移曲线图；
32.图4为在理想通断状态下单元结构在y极化方向低频段的电流电场图；
33.图5为在理想通断状态下单元结构在x极化方向高频段的电流电场图；
34.图6为可重构智能表面的波束扫描示意图。
具体实施方式
35.本发明将人工微结构与晶体管相结合形成一种太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面相移阵列，并通过二维平面排列形成能够极化分集的复合阵列反射面，通过控制晶体管的通断改变谐振模式，实现在y极化方向低频段和x极化方向高频段对太赫兹波的相位进行控制。极化分集使该结构的编码量、状态数和通道数是普通结构的两倍。工作方式是准光，同时移相的180
°
频段范围内可以进一步实现1bit列控编码的波束扫描和波束赋形。
36.本发明提供了在特定两个频段上对太赫兹电磁波具有频率响应的人工微结构反射阵列，之后利用微电子加工工艺将阵列结构与晶体管相结合，并通过外加电压控制晶体管的通断，最终通过电控改变结构的人工微结构的谐振模式实现对太赫兹波的相位进行控制。
37.参见图1、图2，本发明的太赫兹电控分集切换双频段可重构智能表面包括：金属底板、位于金属底板上的介质基板、位于介质基板上的相移阵列(相移结构层)，所述介质基板为半导体材料；以金属涂层的方式在基板上表面设置相移结构层；针对每列单元天线设置一条垂直的阴极引出线(负极馈线)，阵列中所有阴极引出线连接同一外加负电极；针对每个相移单元，阴极引出线相对伸出工字型偶极子结构，结构开口处由两个长方形金属条形成两个相对的“t”型枝节，每一个“t”型枝节的顶部的长方形金属条设置于一欧姆贴片上，欧姆贴片设置于介质基板上，在各欧姆贴片上设置掺杂异质线，形成偶极子谐振结构；针对每列单元天线设置一条垂直的阳极引出线(正极馈线)，位于单元右侧，阳极引出线与该列所有“t”型枝节顶部之间的掺杂异质材料连接，并且每列正极馈线外加正极，可单列独立控制。通过外加正电极与外加负电极之间的电压差来控制“t”型枝节顶部之间的掺杂异质材料的载流子浓度，实现通断调节，从而对入射电磁波进行相位调节。
38.所述基板为蓝宝石、高阻硅、inp、gaas或碳化硅。馈线及相移单元贴片的材质为au、ag、cu或al。欧姆贴片的材料为ti、al.ni或au。掺杂异质材料可以为algan/gan、ingan/gan或algaas/gaas。人工微结构极化偏转反射阵列为多个单元构成的mn的阵列，其中m》2，n》2。
39.实施例：
40.本实施例包括：
41.金属底板，材料为金属铝﹑银、金等良导体，
42.半导体基板，材料为蓝宝石、高阻硅、碳化硅等，
43.设置于半导体基板上的m
×
n正交阵列方式排布的相移单元。
44.参见图2，相移单元包括工字型结构3和偶极子谐振结构4，偶极子谐振结构4设置于工字型之间的开口处，工字型的两个端点各自与一个长方形金属条连接，两个连接点上下对称，在开口处的两个长方形金属条之间，介质基板的上表面设置有欧姆贴片，在欧姆贴片上方设置有掺杂异质线，掺杂异质线与两个长方形金属条平行且等距。
45.在相移单元阵列中，每一列相移单元的两侧皆沿列线方向分别设置有一条阴极引出线1和一条阳极引出线2，每一列相移单元皆位于对应于该列的阴极引出线和阳极引出线之间；
46.各列中，相移单元的掺杂异质线连接至该列的阳极引出线，工字型偶极子开口连接至该列的阴极引出线；
47.各阴极引出线皆与同一根阴极总线连接，阴极总线具有一个外部阴极连接端；各阳极引出线彼此独立。
48.欧姆贴片的材质为ti、al、ni或au，掺杂异质线的材质为algan/gan、ingan/gan、algaas/gaas、algaas/ingaas、algaas/ingaas/inp等。
49.如图1、2，阳极引出线和阴极引出线分别设置于每列单元的左右两侧，阳极引出线连接该列所有“t”型枝节顶部之间的掺杂异质线，并且所有阳极引出线相连不同的外加正电极，通过外加正电极与外加负电极之间的电压差来控制“t”型枝节顶部之间的掺杂异质材料的载流子浓度，实现通断切换，进而对电磁波束进行相位调控。
50.本发明通过改变晶体管的通断来实现对太赫兹反射电磁波的相位调控，其通断状态通过外加电压大小予以控制。具体为：当改变结构中与晶体管电极相连的正电极线和负
电极线所加载电压差时，晶体管将会出现截断或导通状态。
51.仿真结果表明，外加电压改变晶体管的截断和导通状态，实现了对太赫兹波束的相位调控。图3左右分别表示了y极化低频段与x极化低频段的状态特性，图3上下分别表示了相移单元在两个极化方向特定电压下的幅值与相移特性。图3上表示了单元的幅值特性，在ns＝1
×
10
16
m-2
和ns＝1
×
10
17
m-2
两种状态下，单元结构的插入损耗小，该动态可调节阵列可实现相位的高效率调制。图3中ns＝1
×
10
16
m-2
表示在特定电压时，位于人工电磁媒质下的晶体管处于夹断状态，ns＝1
×
10
17
m-2
表示在特定电压时，晶体管处于导通状态。可见单元结构反射相位随晶体管状态产生较为明显的变化，在0.22thz时，处于ns＝1
×
10
16
m-2
和ns＝1
×
10
17
m-2
的单元存在180度的相位差，且最大变化频带约为15ghz，在0.36thz时，处于ns＝1
×
10
16
m-2
和ns＝1
×
10
17
m-2
的单元存在180度的相位差，且最大变化频带约为36ghz，高低频两个频段的可调节范围都比较大。图4为相移单元y极化方向低频段的通和断的电场电流图，主要是由左边大的工字型偶极子长短切换控制结构的相移。图5为相移单元x极化方向高频段的通和断电场电流图，主要是由右边两个小的工字型偶极子长短切换控制结构的相移。图4和图5说明了极化分集相移结构的移相机理。表1波束扫描的编码序列。图6为32
×
32的ris阵列分别在x极化方向高频段和y极化方向低频段的13.7
°
～80
°
和13.1
°
～81
°
的波束仿真扫描图，表明了该结构组成阵列可以在两个极化方向连续的波束扫描。
52.表1
[0053][0054]
注：nx表示相邻的同相单元间隔的数量。

技术特征：
1.太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，包括自下而上逐层设置的金属底板、介质基板和相移结构层；所述相移结构层包括以m
×
n正交阵列方式设置的相移单元，每一列相移单元都有阳极引出线和阴极引出线；每个相移单元包括三个偶极子，所述偶极子为工字形结构，由两个t型枝节按顶点相对设置构成；t型枝节由一个横向谐振片和一个纵向谐振片连接构成，同一个偶极子中两个t型枝节的横向谐振片由第三谐振片连接，构成开口谐振环，两个顶点之间为开口；t型枝节沿纵向谐振片的中线对称，t型枝节的顶点处设置有金属条，金属条的长边垂直于所在t型枝节的对称轴；同一偶极子的两个t型枝节的顶点之间设置有欧姆贴片，在欧姆贴片上设置有掺杂异质线，掺杂异质线与两个长方形金属条的长边平行且等距；三个偶极子中，两个偶极子的对称轴皆沿行线方向设置，称为a类偶极子；另外一个偶极子的对称轴沿列线方向设置，称为b类偶极子；a类偶极子位于阳极引出线的一侧，b类偶极子位于阳极引出线的另一侧，掺杂异质线通过阳极引出线连接至该列的阳极连接点，开口谐振环通过阴极引出线引出至阴极连接点。2.如权利要求1所述的太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，所述金属底板的金属包括铝﹑银、金中的一种或多种。3.如权利要求1所述的太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，所述介质基板的材质包括蓝宝石、高阻硅、inp、gaas、碳化硅中的一种或多种。4.如权利要求1所述的太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，所述m、n皆为大于2的整数。5.如权利要求1所述的太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，同一相移单元中，两个b类偶极子的开口方向相反，皆为背离对方的方向。6.如权利要求1所述的太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，每一列相移单元都有一条阳极引出线和两条阴极引出线，两条阴极引出线分别设置于阳极引出线的两侧，a类偶极子的第三谐振片与阴极引出线部分重合。7.如权利要求1所述的太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，所述金属条的形状为长方形。8.如权利要求1所述的太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，所述欧姆贴片的材料包括ti、al、ni、au中的一种或多种。9.如权利要求1所述的太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，所述掺杂异质线的材料包括algan、gan、ingan、gan、algaas、gaas中的一种或多种。10.如权利要求1所述的太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，其特征在于，所述a类偶极子的尺寸大于b类偶极子。

技术总结
本发明公开了一种太赫兹电控极化分集双频段可重构智能表面，包括自下而上逐层设置的金属底板、介质基板和相移结构层；所述相移结构层包括以M


技术研发人员：兰峰 肖宗 张雅鑫 王禄炀 杨梓强
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/12