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专利号: 2021108229860
申请人: 山西大同大学
专利类型:发明专利
专利状态:无效专利
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制系统,所述机械式超表面由多个集成单元结构(1)组成,其特征在于:每个所述的集成单元结构(1)均通过齿轮模组(21)连接有一个步进电机(2);

所述机械式超表面控制系统还包括:发射控制器(3)、接收控制器(4)和电源模块(5);

所述接收控制器(4)为多个,且与步进电机(2)为一一对应关系;

所述发射控制器(3)与每个接收控制器(4)无线通信连接;所述发射控制器(3)与上位机(6)电连接;每个所述接收控制器(4)与对应的步进电机(2)电连接;

每个所述接收控制器(4)均连接有一个拨码开关电路(7);

所述电源模块(5)为发射控制器(3)和接收控制器(4)提供电源供给;

所述每个集成单元结构(1)均包括多个子功能单元结构(11),所述齿轮模组(21)包括:

主驱动单层齿轮(211),与主驱动单层齿轮(211)机械传动连接的多个从动双层齿轮(212);

每个的所述从动双层齿轮(212)均与多个从动单层齿轮(213)通过机械传动连接;通过机械调控的方式使得集成单元结构(1)以任意度数进行顺时针或逆时针的旋转,在完成一次调控后,通过上位机(6)的指令,使得集成单元结构(1)从任意位置回到初始位置,进而进行下一次调控,达到连续调控的目的;

所述主驱动单层齿轮(211)与步进电机(2)连接,所述子功能单元结构与从动单层齿轮(213)同轴粘在一起;

集成单元结构(1)几何相位的变化与多个子功能单元结构(11)的自转角度为一一对应关系;通过计算所需目标图像的相位图对应各个集成单元结构(1)的旋转角度,并通过步进电机(2)带动集成单元结构(1)转动的机械调控方式,使得相应步进电机(2)收到指令后做出转动响应,从而由步进电机(2)带动齿轮引起集成单元结构(1)的角度相对于初始位置发生旋转,使超表面生成所需的相位图;

所述发射控制器(3)包括:单片机U11、无线通信芯片U12和接口电路(8),每个所述接收控制器(4)均包括:单片机U21、无线通信芯片U22和电机驱动芯片U23;

所述单片机U11分别与所述无线通信芯片U12、接口电路(8)电连接;所述单片机U21分别与无线通信芯片U12、电机驱动芯片U23电连接,所述电机驱动芯片U23与步进电机(2)电连接;所述发射控制器(3)与接收控制器(4)之间通过无线通信芯片U12和无线通信芯片U22进行无线数据的传输;

所述的单片机U11、单片机U21均对应的连接有一个开关电路(9);所述的开关电路(9)包括:复位开关RST1,所述复位开关RST1的一端分别与单片机U21的引脚P5.4、电阻R14的一端、电容C4的一端相连,所述电阻R14的另一端分别与电源模块5的电源端VCC、电阻R15的一端、电阻R16的一端、电阻R21的一端、电阻R20的一端相连,所述电阻R15的另一端分别与开关SW1的一端、单片机U21的引脚P3.6相连,所述开关SW1的另一端并接开关SW2的一端、复位开关RST1的另一端、电容C4的另一端后接地;所述开关SW2的另一端分别与电阻R16的另一端、单片机U21的引脚P3.7相连;所述电阻R21的另一端串接发光二极管LED2后与单片机U21的引脚P5.5相连,所述电阻R20的另一端串接发光二极管LED1后与单片机U21的引脚P4.0相连。

2.根据权利要求1所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制系统,其特征在于:所述单片机U11与无线通信芯片U12之间的电路连接结构为:所述单片机U11的引脚P4.4、引脚P2.2、引脚P2.5、引脚P2.3、引脚P2.4、引脚P4.3分别对应的与无线通信芯片U12的引脚CE、引脚CSN、引脚SCK、引脚MOSI、引脚MISO、引脚IRQ相连,所述无线通信芯片U12的引脚GND并接电容C3的一端后接地,所述电容C3的另一端与无线通信芯片U12的引脚VCC连接后与电源模块(5)的电源端VCC相连;

所述单片机U21与无线通信芯片U22之间的电路连接结构为:

所述单片机U21的引脚P4.4、引脚P2.2、引脚P2.5、引脚P2.3、引脚P2.4、引脚P4.3分别对应的与无线通信芯片U22的引脚CE、引脚CSN、引脚SCK、引脚MOSI、引脚MISO、引脚IRQ相连,所述无线通信芯片U22的引脚GND并接电容C3的一端后接地,所述电容C3的另一端与无线通信芯片U22的引脚VCC连接后与电源模块(5)的电源端VCC相连。

3.根据权利要求2所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制系统,其特征在于:所述单片机U21与电机驱动芯片U23之间的电路连接结构为:所述单片机U21的引脚P2.0、引脚P2.1、引脚P2.6、引脚P2.7分别对应的与电机驱动芯片U23的引脚IN1、引脚IN2、引脚IN3、引脚IN4相连,所述电机驱动芯片U23的引脚OUT1、引脚OUT2、引脚OUT3、引脚OUT4分别与电机接口Motor1的引脚5、电机接口Motor1的引脚4、电机接口Motor1的引脚3、电机接口Motor1的引脚2,所述电机驱动芯片U23的引脚COM2并接电机接口Motor1的引脚1、电源端VCC_ Motor、电源接头PWR1的引脚1,所述电源接头PWR1的引脚

2并接电机驱动芯片U23的引脚COM1后接地。

4.根据权利要求3所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制系统,其特征在于:所述拨码开关电路(7)包括:开关S1、开关S2和开关S3;

所述开关S1的引脚1并接电阻R1的一端后与单片机U21的引脚P1.7相连,所述开关S1的引脚2并接电阻R2的一端后与单片机U21的引脚P1.6相连,所述开关S1的引脚3并接电阻R3的一端后与单片机U21的引脚P1.5相连,所述开关S1的引脚4并接电阻R1的一端后与单片机U21的引脚P1.4相连;

所述开关S2的引脚1并接电阻R5的一端后与单片机U21的引脚P3.5相连,所述开关S2的引脚2并接电阻R6的一端后与单片机U21的引脚P3.4相连,所述开关S2的引脚3并接电阻R7的一端后与单片机U21的引脚P3.3相连,所述开关S2的引脚4并接电阻R8的一端后与单片机U21的引脚P3.2相连;

所述开关S3的引脚1并接电阻R9的一端后与单片机U21的引脚P0.7相连,所述开关S3的引脚2并接电阻R10的一端后与单片机U21的引脚P0.6相连,所述开关S3的引脚3并接电阻R11的一端后与单片机U21的引脚P0.5相连,所述开关S3的引脚4并接电阻R12的一端后与单片机U21的引脚P0.4相连;

所述电阻R1的另一端并接电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、电阻R5的另一端、电阻R6的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的另一端、电阻R9的另一端、电阻R10的另一端、电阻R11的另一端、电阻R12的另一端后与电源模块(5)的电源端VCC相连;

所述开关S1的引脚8并接开关S1的引脚7、开关S1的引脚6、开关S1的引脚5、开关S2的引脚8、开关S2的引脚7、开关S2的引脚6、开关S2的引脚5、开关S3的引脚8、开关S3的引脚7、开关S3的引脚6、开关S3的引脚5后接地。

5.一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法,所述机械式超表面由多个集成单元结构组成,其特征在于:包括以下步骤:S10,使每个所述的集成单元结构均对应的通过齿轮模组与步进电机连接;每个步进电机均对应的连接有一个接收控制器;通过拨码开关电路对控制电机的接收控制器进行编码,以使接收控制器的编号与集成单元结构的编号形成一一对应关系;

S20,上位机确定集成单元结构的几何相位与对应的步进电机旋转角度之间的关系;

S30,建立发射控制器、上位机和多个接收控制器之间的电路连接;

S40,上位机发送控制指令至发射控制器,所述的控制指令包括:集成单元结构对应接收控制器的编号、步进电机转动角度;

S50,发射控制器将控制指令进行广播,多个接收控制器接收到控制指令后,判断自身编号与控制指令中的编号是否相对应,若不对应,则不响应,若对应,则执行步骤S60;

S60,根据控制指令中的步进电机转动的角度驱动步进电机运行,使步进电机带动集成单元结构转动;

所述步骤S10中,所述每个集成单元结构均包括多个子功能单元结构,所述齿轮模组包括:主驱动单层齿轮,与主驱动单层齿轮机械传动连接的多个从动双层齿轮;每个的所述从动双层齿轮均与多个从动单层齿轮通过机械传动连接;通过机械调控的方式使得集成单元结构(1)以任意度数进行顺时针或逆时针的旋转,在完成一次调控后,通过上位机(6)的指令,使得集成单元结构(1)从任意位置回到初始位置,进而进行下一次调控,达到连续调控的目的;

所述主驱动单层齿轮与步进电机连接,所述子功能单元结构与从动单层齿轮同轴粘在一起;集成单元结构几何相位的变化与多个子功能单元结构的自转角度为一一对应关系;

通过计算所需目标图像的相位图对应各个集成单元结构(1)的旋转角度,并通过步进电机(2)带动集成单元结构(1)转动的机械调控方式,使得相应步进电机(2)收到指令后做出转动响应,从而由步进电机(2)带动齿轮引起集成单元结构(1)的角度相对于初始位置发生旋转,使超表面生成所需的相位图;

所述S60具体包括,根据控制指令中的步进电机转动的角度驱动步进电机运行,使步进电机带动集成单元结构中子功能单元结构的同步转动;

所述发射控制器(3)包括:单片机U11、无线通信芯片U12和接口电路(8),每个所述接收控制器(4)均包括:单片机U21、无线通信芯片U22和电机驱动芯片U23;

所述单片机U11分别与所述无线通信芯片U12、接口电路(8)电连接;所述单片机U21分别与无线通信芯片U12、电机驱动芯片U23电连接,所述电机驱动芯片U23与步进电机(2)电连接;所述发射控制器(3)与接收控制器(4)之间通过无线通信芯片U12和无线通信芯片U22进行无线数据的传输;

所述的单片机U11、单片机U21均对应的连接有一个开关电路(9);所述的开关电路(9)包括:复位开关RST1,所述复位开关RST1的一端分别与单片机U21的引脚P5.4、电阻R14的一端、电容C4的一端相连,所述电阻R14的另一端分别与电源模块5的电源端VCC、电阻R15的一端、电阻R16的一端、电阻R21的一端、电阻R20的一端相连,所述电阻R15的另一端分别与开关SW1的一端、单片机U21的引脚P3.6相连,所述开关SW1的另一端并接开关SW2的一端、复位开关RST1的另一端、电容C4的另一端后接地;所述开关SW2的另一端分别与电阻R16的另一端、单片机U21的引脚P3.7相连;所述电阻R21的另一端串接发光二极管LED2后与单片机U21的引脚P5.5相连,所述电阻R20的另一端串接发光二极管LED1后与单片机U21的引脚P4.0相连。

6.根据权利要求5所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法,其特征在于:所述步骤S20,上位机确定集成单元结构的几何相位与对应的步进电机旋转角度之间的关系;具体包括:S201,根据夫琅禾费衍射公式,建立目标功能所需要的各个集成单元结构的相位值Phi;

S202,根据目标工作偏振,得到各个集成单元结构的相位值所对应的电机旋转角度;

S203,将目标功能所需要的集成单元结构的编号及步进电机旋转角度写入控制指令;

其中,偏振包括:左旋圆偏振光或右旋圆偏振光,步进电机旋转角度包括:Phi/2或‑Phi/2。

7.根据权利要求6所述的一种几何相位连续可调谐的机械式超表面控制方法,其特征在于:所述步骤S201中,所述目标功能包括:光束异常折/反射、光束聚焦、全息成像、产生特种光束。