一种可重构非线性超表面单元

本发明涉及可重构超表面，特别是涉及一种可重构非线性超表面单元。属于通信、雷达和新型人工电磁材料领域。本发明涉及一种可重构非线性超表面非线性技术，通过设计可重构超表面单元结构，实现了低能量入射波的透射截止和高能量入射波的透射传输，进而实现非线性透射，

背景技术：

1、在通信和雷达系统中，超表面的非线性调控已成为不可或缺的组成部分，它被广泛应用于射频功率保护、非线性波束扫描等方面。对于传统实现非线性超表面的方法，无非是利用非线性材料、加载有源的非线性器件以及利用adc/dac和外部的控制电路。但是由于各自的限制导致了其不能较好的应用到微波集成电路或者通信雷达系统中。

2、具体来说，依靠使用的材料或者集成的器件本身的非线性特性进行调控，可调节性差，非线性特性固定单一，无法满足不同频段和应用场景的需求；而依赖于adc/dac和外界的控制电路实现非线性超表面，系统庞杂，且不利于大规模集成。

3、本发明提出了一种基于超表面的灵活调控非线性透射特性的方案，通过在超表面单元上集成检波器、射频放大器和加法器等器件，实现对电磁波的非线性透射特性在预设频段内进行灵活调控。与现有技术相比，本发明具有结构简单、调控灵活、易于大规模集成等优势，可广泛应用于通信和雷达系统中的非线性调控领域。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的在于提供一种可重构非线性超表面单元，能同时兼容可重构，具有结构简单、调控灵活、易于大规模集成等优势，可广泛应用于通信和雷达系统中的非线性调控领域。

2、技术方案：本发明提供了一种可重构非线性超表面单元，该单元由第一金属层、第一介质层、第二金属层、粘合片层、第三金属层、第二介质层和第四金属层顺序排列构成；第一金属层通过过孔与第四金属层连接。

3、所述第一金属层为金属贴片具有t型结结构，将第一金属层的金属贴片结构耦合的空间电磁波能量经过微带线，由t型结分为两部分，第一部分能量用于能量检测转换为直流电压，第二部分通过过孔传递到第四金属层。

4、所述第一金属层和第四金属层的金属图案为开槽的正八边形，所述单元结构正面即第一金属层集成了一个检波器，所述单元结构即背面第四金属层集成了一个加法器和一个射频放大器。

5、所述开槽的正八边形其边长为7.32mm。

6、所述第一金属层集成了一个检波器，将将检测的入射到超表面的射频功率转变为输出电压，实现能量检测。

7、所述第四金属层集成了一个加法器，将检波器的输出电压与外加的偏置电压相加，作用于放大器的控制端；通过调节外加电压的大小，实现放大器开启阈值的改变，进而实现非线性的阈值可重构。

8、所述第四金属层集成了一个射频放大器，该射频放大器的控制电压由加法器的输出电压控制，射频放大器的漏极由外加电压控制，实现对射频能量的截止和导通。

9、所述检波器、加法器以及放大器，使超表面单元的输出和输入功率的非线性函数类似于神经网络中的relu激活函数，即：在入射功率低时，单元截止，输出功率为0；在入射功率高时，输出功率不为零，且输出功率随输入功率线性增长。

10、所述第一介质层和第二介质层为厚度为0.5mm的f4b聚四氟乙烯基板，相对介电常数为2.65。

11、所述粘合片层为厚度为0.2mm的fr4玻璃纤维环氧树脂基板，相对介电常数为4.4。

12、有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

13、1.本发明通过在超表面上集成检波器、射频放大器和加法器，从而实现对电磁波的非线性透射特性在预设频段内进行灵活调控。

14、2.传统的非线性超表面使用材料或器件的非线性特性来实现非线性超表面，比如使用射频放大器的饱和特性或倍频器的倍频特性。然而，这种方法的非线性特性固定、难以重构。相比之下，本发明实现了可以实时重构的非线性透射系数，具有更高的灵活性和可控性。具体而言，可以通过外加的直流电压实时重构非线性传递函数。增加加法器的偏置电压会导致开启阈值下降，减小则上升；增加放大器的电压会导致开启后输出功率随输入功率增长速率增加，减小则减缓。因此，本发明具有更高的灵活性和实时性，能够更好地重构单元的非线性透射系数，以更好地满足不同应用场景的需求。

15、3.相比于使用外部数字控制设备生成超表面的非线性，本发明无需adc/dac和fpga等外部数字控制设备生成非线性，简化了设备，提高了系统的速度。本发明具有更低的成本和更高的可扩展性。

16、通过本发明，实现了实时可重构的非线性超表面，提高了灵活性和系统速度，同时降低了成本和复杂度，具备更高的可扩展性和适用性。

技术特征：

1.一种可重构非线性超表面单元结构，其特征在于：该单元由第一金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、粘合片层(4)、第三金属层(5)、第二介质层(6)和第四金属层(7)顺序排列构成；第一金属层(1)通过过孔与第四金属层(7)连接。

2.根据权利要求1所述的可重构非线性超表面单元结构，其特征在于：所述第一金属层(1)为金属贴片具有t型结结构，将第一金属层(1)的金属贴片结构耦合的空间电磁波能量经过微带线，由t型结分为两部分，第一部分能量用于能量检测转换为直流电压，第二部分通过过孔传递到第四金属层(7)。

3.根据权利要求1或2所述的可重构非线性超表面单元结构，其特征在于：所述第一金属层(1)和第四金属层(7)的金属图案为开槽的正八边形，所述单元结构正面即第一金属层(1)集成了一个检波器，所述单元结构即背面第四金属层(7)集成了一个加法器和一个射频放大器。

4.根据权利要求3所述的可重构非线性超表面单元结构，其特征在于：所述开槽的正八边形其边长为7.32mm。

5.根据权利要求3所述的可重构非线性超表面单元结构，其特征在于：所述第一金属层(1)集成了一个检波器，将将检测的入射到超表面的射频功率转变为输出电压，实现能量检测。

6.根据权利要求3所述的可重构非线性超表面单元结构，其特征在于：所述第四金属层(7)集成了一个加法器，将检波器的输出电压与外加的偏置电压相加，作用于放大器的控制端；通过调节外加电压的大小，实现放大器开启阈值的改变，进而实现非线性的阈值可重构。

7.根据权利要求3所述的可重构非线性超表面单元结构，其特征在于：所述第四金属层(7)集成了一个射频放大器，该射频放大器的控制电压由加法器的输出电压控制，射频放大器的漏极由外加电压控制，实现对射频能量的截止和导通。

8.根据权利要求3所述的可重构非线性超表面单元结构，其特征在于所述检波器、加法器以及放大器，使超表面单元的输出和输入功率的非线性函数类似于神经网络中的relu激活函数，即：在入射功率低时，单元截止，输出功率为0；在入射功率高时，输出功率不为零，且输出功率随输入功率线性增长。

9.根据权利要求1所述的可重构非线性超表面单元结构，其特征在于所述第一介质层(2)和第二介质层(6)为厚度为0.5mm的f4b聚四氟乙烯基板，相对介电常数为2.65。

10.根据权利要求1所述的可重构非线性超表面单元结构，其特征在于所述粘合片层(4)为厚度为0.2mm的fr4玻璃纤维环氧树脂基板，相对介电常数为4.4。

技术总结本发明涉及天线、新型人工电磁材料和人工智能领域。公开了一种可重构非线性超表面单元。该单元由第一金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、粘合片层(4)、第三金属层(5)、第二介质层(6)和第四金属层(7)顺序排列构成；第一金属层通过过孔与第四金属层连接。在第一金属层上集成检波器，在第四金属层上集成放大器和加法器，使超表面透射系数呈非线性，非线性透射系数形如神经网络中ReLU激活函数。通过调节控制外部控制电压实现对单元非线性透射系数斜率和阈值的重构。本发明的可重构非线性超表面单元结构，结构简单，无需ADC/DAC和外部计算控制设备，且实时可重构，具有高灵活性。技术研发人员：崔铁军,马骞,宁玉鸣,高欣欣受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25