【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及光微波，特別涉及一種光與微波雙向信號轉換超表面及基于該超表面的通信系統。
技術介紹
1、光與微波之間的能量與信息相互轉換在現代電子通信和量子物理學中具有重要的應用前景。光與微波的交換平臺不僅能夠連接微波域與光域，還能充分利用微波和光波在不同傳播介質中的優勢，實現無縫跨媒質傳輸，是未來實現空天地海一體化信息網絡的極具前景的解決方案。由于光與微波巨大的頻率跨度，高效的光與微波相互作用正面臨嚴峻的挑戰。近年來，使用光纖技術、等離子體腔、非線性材料、納米力學耦合等方法能夠實現微波到光波的轉換。然而，許多已驗證的方案都是基于光纖和電路技術實現的，且需要外部電源執行多個中間過程，無疑增加了成本、功耗和系統復雜性，極大限制了其在自由空間的無線應用。此外，這些轉換器件難以進一步開發以實現光到微波的逆向過程，因此存在許多限制。
2、超表面是一種由人工設計的亞波長單元組成的二維結構，它可以高分辨率地控制自由空間中的波性質。通過設計單元結構，已在超表面上實現了許多不同的功能，可以利用微波收集射頻能量并利用光波操控微波的傳播特性，這為設計光與微波之間的能量與信息轉換平臺奠定了新的研究方向。近年來，人們提出了許多基于光波與微波相互作用的超表面結構用于信息傳輸，然而目前所研究的超表面很難同時實現光與微波的雙向轉換且不依賴外部電源。因此，如何利用超表面構建不依賴于外部電源的光與微波雙向轉換平臺，用于能量與信號轉換，仍然是一個難題。
技術實現思路
1、專利技術目的：本專利技術的一個目的是
2、本專利技術的另一個目的是提供一種基于上述超表面的通信系統。
3、技術方案：本專利技術所述一種光與微波雙向信號轉換超表面，包括m×n個陣列排布的雙面超表面單元、第一饋線網絡和第二饋線網絡，雙面超表面單元包括介質基板，以及分別位于介質基板正面和背面的正面諧振結構和背面諧振結構；陣列中沿x方向排列的同一行的正面諧振結構串聯，沿y方向排列的不同行的正面諧振結構通過第一饋線網絡并聯后與激光二極管兩端連接；陣列中沿x方向排列的同一行的背面諧振結構串聯，沿y方向排列的不同行的背面諧振結構通過第二饋線網絡并聯連接；
4、當沿x方向極化的微波照射到超表面正面時，微波會被正面諧振結構有效吸收并整流成直流能量驅動激光二極管發光，實現微波信號到光信號的正向轉換；當沿y方向極化的微波照射到超表面正面時，微波會透過正面諧振結構和介質基板并到達背面諧振結構，通過調節背面諧振結構上加載的光電二極管的光照強度，能夠靈活調控入射微波的反射幅度，并實現光信號到微波信號的反向轉換。
5、優選的，正面諧振結構包括沿x軸方向排布的三段金屬條，第一和第二段金屬條之間通過肖特基二極管連接，第二和第三段金屬條之間通過電感連接；陣列中x方向相鄰雙面超表面單元的金屬條串聯后，兩端分別連接至第一饋線網絡的第一金屬條和第二金屬條。
6、優選的，背面諧振結構包括兩個間隔排布的金屬片，以及加載在兩個間隔排布的金屬片之間的光電二極管，陣列中x方向相鄰雙面超表面單元的上排金屬片串聯后均連接至第二饋線網絡的第三金屬條，下排金屬片串聯后均連接至第二饋線網絡的第四金屬條，使得所有光電二極管都并聯連接。
7、優選的，背面諧振結構還包括一個電阻，所述電阻與光電二極管并聯加載在兩個間隔排布的金屬片之間，用于構建充放電回路。
8、優選的，所述兩個間隔排布的金屬片為兩片相同的金屬銅片。
9、優選的，第一饋線網絡包括第一金屬條、第二金屬條、第一饋線和第二饋線，第一金屬條和第二金屬條設置在介質基板正面，第一饋線和第二饋線設置在介質基板背面，第一金屬條和第二金屬條分別通過兩個金屬通孔與第一饋線和第二饋線連接，第一饋線和第二饋線分別與激光二極管的正負極連接。
10、優選的，第二饋線網絡包括第三金屬條和第四金屬條，第三金屬條和第四金屬條設置介質基板背面。
11、優選的，所述介質基板的材料相對介電常數為2.65，損耗角正切為0.001，厚度為2.0mm。
12、基于所述光與微波雙向信號轉換超表面構建的通信系統，包括：光與微波雙向信號轉換超表面、位于超表面正面一側的微波端發射器和微波端收發器，以及位于超表面背面一側的激光端接收器和激光端發射器；
13、在從微波信號到光信號的正向轉換傳輸鏈路中，待傳輸信號通過微波端發射器編碼到bask微波信號上，以驅動和調制超表面，從而整流生成綠色的ook激光信號，生成的ook激光信號通過激光端接收器進一步解調為數字基帶信號，最終恢復出待傳輸信號；
14、在從光信號到微波信號的反向轉換傳輸鏈路中，待傳輸信號首先被轉換為數據比特流，通過激光端發射器編碼到水下綠色ook激光信號上，并照射超表面背面的光電二極管；隨后，超表面的反射幅度響應被快速改變；此時，當微波端收發器向超表面正面發射y極化微波時，反射得到的bask微波信號由微波端收發器接收，并通過軟件定義無線電平臺解調為數字基帶信號，從而恢復視頻內容。
15、進一步的，光與微波雙向信號轉換超表面、微波端發射器和微波端收發器位于空氣中，激光端接收器和激光端發射器位于水中，實現跨越空氣與水兩種媒質的雙向全雙工能力。
16、有益效果：與現有技術相比，本專利技術的顯著技術效果為：將肖特基二極管與光電二極管集成在雙面超表面單元上，實現了光信號與微波信號的雙向轉換，并能夠通過光信號強度反向調控入射微波的反射幅度。此外，利用該超表面單元組成的超表面能夠用于構建基于激光ook與微波bask調制的雙向通信系統。
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1.一種光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，包括m×n個陣列排布的雙面超表面單元、第一饋線網絡和第二饋線網絡，雙面超表面單元包括介質基板(1)，以及分別位于介質基板(1)正面和背面的正面諧振結構(2)和背面諧振結構(3)；陣列中沿x方向排列的同一行的正面諧振結構(2)串聯，沿y方向排列的不同行的正面諧振結構(2)通過第一饋線網絡并聯后與激光二極管兩端連接；陣列中沿x方向排列的同一行的背面諧振結構(3)串聯，沿y方向排列的不同行的背面諧振結構(3)通過第二饋線網絡并聯連接；
2.根據權利要求1所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，正面諧振結構(2)包括沿x軸方向排布的三段金屬條(21)，第一和第二段金屬條之間通過肖特基二極管(22)連接，第二和第三段金屬條之間通過電感(23)連接；陣列中x方向相鄰雙面超表面單元的金屬條串聯后，兩端分別連接至第一饋線網絡的第一金屬條(41)和第二金屬條(42)。
3.根據權利要求1所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，背面諧振結構(3)包括兩個間隔排布的金屬片(31)，以及加載在兩個間隔排布的金屬片之間的光
4.根據權利要求3所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，背面諧振結構(3)還包括一個電阻(33)，所述電阻(33)與光電二極管(32)并聯加載在兩個間隔排布的金屬片(31)之間，用于構建充放電回路。
5.根據權利要求3所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，所述兩個間隔排布的金屬片(31)為兩片相同的金屬銅片。
6.根據權利要求1所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，第一饋線網絡包括第一金屬條(41)、第二金屬條(42)、第一饋線(43)和第二饋線(44)，第一金屬條(41)和第二金屬條(42)設置在介質基板(1)正面，第一饋線(43)和第二饋線(44)設置在介質基板(1)背面，第一金屬條(41)和第二金屬條(42)分別通過兩個金屬通孔與第一饋線(43)和第二饋線(44)連接，第一饋線(43)和第二饋線(44)分別與激光二極管(6)的正負極連接。
7.根據權利要求1所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，第二饋線網絡包括第三金屬條(51)和第四金屬條(52)，第三金屬條(51)和第四金屬條(52)設置介質基板(1)背面。
8.根據權利要求1所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，所述介質基板(1)的材料相對介電常數為2.65，損耗角正切為0.001，厚度為2.0mm。
9.一種基于權利要求1-8任一項所述光與微波雙向信號轉換超表面的通信系統，其特征在于，包括：光與微波雙向信號轉換超表面、位于超表面正面一側的微波端發射器和微波端收發器，以及位于超表面背面一側的激光端接收器和激光端發射器；
10.根據權利要求9所述的通信系統，其特征在于，光與微波雙向信號轉換超表面、微波端發射器和微波端收發器位于空氣中，激光端接收器和激光端發射器位于水中，實現跨越空氣與水兩種媒質的雙向全雙工能力。
...【技術特征摘要】
1.一種光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，包括m×n個陣列排布的雙面超表面單元、第一饋線網絡和第二饋線網絡，雙面超表面單元包括介質基板(1)，以及分別位于介質基板(1)正面和背面的正面諧振結構(2)和背面諧振結構(3)；陣列中沿x方向排列的同一行的正面諧振結構(2)串聯，沿y方向排列的不同行的正面諧振結構(2)通過第一饋線網絡并聯后與激光二極管兩端連接；陣列中沿x方向排列的同一行的背面諧振結構(3)串聯，沿y方向排列的不同行的背面諧振結構(3)通過第二饋線網絡并聯連接；
2.根據權利要求1所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，正面諧振結構(2)包括沿x軸方向排布的三段金屬條(21)，第一和第二段金屬條之間通過肖特基二極管(22)連接，第二和第三段金屬條之間通過電感(23)連接；陣列中x方向相鄰雙面超表面單元的金屬條串聯后，兩端分別連接至第一饋線網絡的第一金屬條(41)和第二金屬條(42)。
3.根據權利要求1所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，背面諧振結構(3)包括兩個間隔排布的金屬片(31)，以及加載在兩個間隔排布的金屬片之間的光電二極管(32)，陣列中x方向相鄰雙面超表面單元的上排金屬片串聯后均連接至第二饋線網絡的第三金屬條(51)，下排金屬片串聯后均連接至第二饋線網絡的第四金屬條(52)，使得所有光電二極管(32)都并聯連接。
4.根據權利要求3所述的光與微波雙向信號轉換超表面，其特征在于，背面諧振結構(3)還包括一個電阻(33)，所述電阻(33)與光電二極管(32)并聯加載在兩個間隔排布的金屬片(31)之間，用于構建充放...
【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣衛祥，張信歌，孫健愷，孫雅倫，朱秉誠，田翰闈，張在琛，崔鐵軍，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：
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