CN108832302B - 一种双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统，由一种在5.6GHz具有透射性能，在15GHz具有反射性能的单元根据相位补偿原理组成；单元包括上部分单层反射型相位梯度超表面单元、下部分4层透射型相位梯度超表面单元。反射型相位梯度超表面采用了频率选择表面替代了传统金属地作为地面，保证了在其阻带具有反射的性能，而在通带具有透射的性能。本发明由12*12个反射型单元以及8*8个透射型单元组成，在透射频率处θ＝180°方向和反射频率处θ＝0°方向实现了波束汇聚。

Description

一种双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：超表面是一种二维结构的超材料，它既保留了三维超材料的奇异特性，又克服了三维超材料在制备上所面临的困难，是由一系列电小散射体单元排列分布组成的二维表面结构。超表面可以通过改变单元的工作模式或尺寸从而改变其等效电磁参数，例如介电常数或磁导率等。超表面在操控电磁波传播方面表现出了优秀的特性，尤其在微波射频频段，基于各向异性或手性超表面的极化操控研究已经取得了较大的进展。在当今远程无线通信系统中，为了提高增益和方向性，往往需要天线将能量集中在一个较小的空间中进行辐射，然而采用单个天线很难满足相应需求。相位梯度超表面是一种特殊的超表面。通过设计相应的单元结构，并根据相位补偿原理对单元进行合理的布阵，当电磁波照射相位梯度超表面时，便可以将入射的准球面波转换为平面波，从而实现波束的定向汇聚性能，提高了增益，降低了波束宽度。除此之外，相位梯度超表面具有结构简单、易于安装、性能稳定的特点。然而，传统的相位梯度超表面只能实现单一频率以及单一方向的波束控制。当今的通信系统日益复杂，当在面对具有不同位置不同频率的两个接收机的通信系统时，传统的相位梯度超表面不能将对应两个频率的电磁波实现两个方向的汇聚，限制了无线通信的性能。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统的相位梯度超表面只能实现单一频率以及单一方向的波束控制；当今的通信系统日益复杂，当在面对具有不同位置不同频率的两个接收机的通信系统时，不能将对应两个频率的电磁波实现两个方向的汇聚，限制了无线通信的性能。所带来的技术问题：1.传统反射型相位梯度超表面具有金属地面，会阻隔透射波的通过。2.传统单层透射型相位梯度超表面相位覆盖角小，透射率低。3.传统双频相位梯度超表面采用的高低频单元共面的方法，这种方法使高低频单元具有较高的耦合度，导致相位补偿具有不精准性。
解决上述技术问题的难度和意义：透射型单元的相位覆盖角小，透射率低的问题可以通过常用的多层介质板的结构克服。然而金属地对于电磁波的全反射性能难以改变。同时，降低共面的高低频单元互耦度的方法较复杂，并且对共面高低频单元进行解耦合会带来更多的新问题，设计难度高。因此，采用一种新方法解决这些问题，将为双频率双方向的通信系统提供高增益，窄波束宽度的电磁波，有效提高通信质量，保证了信号沿两个方向的高性能传输。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统。
本发明是这样实现的，一种相位梯度超表面单元，所述相位梯度超表面单元包括上部分单层反射型相位梯度超表面单元、下部分4层透射型相位梯度超表面单元；
所述反射型相位梯度超表面采用频率选择表面作为地板。
进一步，所述上部分和下部分采用介电常数为2.65的F4BM-2介质板。这种介质板在价格低廉的同时，具有较稳定的介电常数及较低的损耗。
进一步，所述反射型相位梯度超表面单元由上层反射型单元和下层频率选择表面组成。
进一步，所述相位梯度超表面单元结构参数值为：tref＝tfss＝ttra＝1mm，RFSS＝1mm，h1＝8mm，h2＝2mm，RFSS＝6.3mm，Wref＝1.2mm，Wtra＝0.7mm，Ltra2＝9.5mm，Wtra2＝2.4mm，Q1＝15mm，Q2＝25mm。采取上述参数值，所述相位梯度超表面在反射频率和透射频率处均实现了大于300°的相位覆盖角，并且在反射频率和透射频率处分别具有着95％以上的反射率和85％以上的透射率。这个性能保证了相位补偿的精准性以及优秀的反射及透射性能。
本发明的另一目的在于提供一种由所述相位梯度超表面单元构成的双频率双辐射方向的相位梯度超表面，所述双频率双辐射方向的相位梯度超表面由12*12个反射型单元以及8*8个透射型单元组成，在透射频率处θ＝180°方向和反射频率处θ＝0°方向实现了波束汇聚。
进一步，所述双频率双辐射方向的相位梯度超表面由5层介质板及相应表面覆铜通过螺丝、套筒和螺母连接构成；馈源放置于预先设定好焦距f的位置正面照射所发明的相位梯度超表面，在反射频率15GHz和透射频率5.6GHz处实现相应反射方向θ＝0°和透射方向θ＝180°的波束汇聚。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述双频率双辐射方向的相位梯度超表面的多频率多位置接收机的通信系统，所述多频率多位置接收机的通信系统放入发射机发射的两个频率的准球面电磁波转换成沿着相应反射和透射两个方向辐射的平面波。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明中反射型单元采用了频率选择表面替代传统金属地面，在保证了具有两个频率两个方向辐射性能的同时，使高频与低频之间也具有优秀的隔离度。此外，本发明还具有较强的扩展性，可根据对波束汇聚的需求，利用本单元根据相位补偿原理在相应频率处实现所需方向的波束汇聚。1.传统反射型及透射型相位梯度超表面阵列均只能实现阵列一侧的波束汇聚。本发明实现了双向的波束汇聚性能。2.传统单层透射型相位梯度超表面由于较小的相位覆盖角，只能实现小尺寸阵列的设计，波束汇聚性能较差。本发明采用了多层单元的结构，展宽了相位覆盖角，可以实现较大尺寸阵列的设计，进而实现了更优的波束汇聚效果。3.传统双频相位梯度超表面阵列由于高低频单元位于同一平面，互耦效应导致了相位补偿的不精准性，从而使两个频率处的波束汇聚性能不佳；此外，这种阵列只能实现阵列一侧的双频波束汇聚。而本发明通过频率选择表面将高低频单元分离的设计降低了耦合度，进而保证了两个频率处波束汇聚的性能；此外，本发明由于频率选择表面对电磁波选择性反射或透射的性能实现了两个方向的波束汇聚。
附图说明
图1是本发明实施例提供的双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统结构单元结构图。
图2是本发明实施例提供的双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统的整体结构图。
图3是本发明实施例提供的双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统的工作示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统的单元包括上部分单层反射型相位梯度超表面单元(#1)、下部分4层透射型相位梯度超表面单元(#2)。上下部分均采用介电常数为2.65的介质板。其中反射型单元由两层结构构成：上层反射型单元(#1.1)和下层频率选择表面(#1.2)。其具体结构参数值为：tref＝tfss＝ttra＝1mm，RFSS＝1mm，h1＝8mm，h2＝2mm，RFSS＝6.3mm，Wref＝1.2mm，Wtra＝0.7mm，Ltra2＝9.5mm，Wtra2＝2.4mm，Q1＝15mm，Q2＝25mm。
根据焦距和相位补偿原理计算可得本发明各个单元所需要的相位补偿大小，可以通过改变反射型及透射型表面十字覆铜的臂长Lref和Ltra来实现所需的相位补偿。较多的单元可以对更宽角度的电磁波实现相位补偿，从而提高波束汇聚性能。为了实现更好的波束汇聚效果，本发明选择了12*12个反射型单元以及8*8个透射型单元进行组阵。
如图2所示，本发明由5层介质板及相应表面覆铜通过螺丝、套筒和螺母连接构成。将馈源放置于预先设定好焦距(f)的位置正面照射所发明的相位梯度超表面，在反射频率(15GHz)和透射频率(5.6GHz)处便可实现相应反射方向(θ＝0°)和透射方向(θ＝180°)的波束汇聚。
当反射频率(15GHz)的电磁波照射到所发明的相位梯度超表面上，由于该频率处于频率选择表面的阻带，电磁波近似全反射。又由于单元对电磁波进行了合适的相位补偿，保证了所发明的相位梯度超表面上电磁波具有相同的相位，从而使电磁波沿反射方向得到了汇聚，增益得到提高，波束宽度得到了减小。当透射频率(5.6GHz)的电磁波照射到所发明的相位梯度超表面上，该频率处于频率选择表面的通带，因此电磁波可以通过相位梯度超表面。同时透射型单元对电磁波进行了合适的相位补偿，保证了所发明的相位梯度超表面上电磁波具有相同的相位，从而使电磁波沿透射方向得到了汇聚，增益得到提高，波束宽度得到了减小。传统的双频相位梯度超表面将高频与低频单元放置于同一平面，这会导致高频与低频单元之间具有较强的耦合度，降低了相位补偿的精准度。由于本发明的高频与低频单元位于不同层面上，大幅度降低了高频与低频间的互耦，保证了相位补偿的精准度，为波束得到有效汇聚提供了保障。
如图3所示，将本发明应用于多频率多位置接收机的通信系统中，可以将发射机发射的两个频率的准球面电磁波转换成沿着相应反射和透射两个方向辐射的平面波，使波束得到了两个方向的汇聚，提高了辐射增益，改善了通信质量，保证了信息的高效准确传输。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种相位梯度超表面单元，其特征在于，所述相位梯度超表面单元包括上部分单层反射型相位梯度超表面单元、下部分4层透射型相位梯度超表面单元；
所述反射型相位梯度超表面采用频率选择表面作为地板；
所述反射型相位梯度超表面单元由上层反射型单元和下层频率选择表面组成；4层透射型相位梯度超表面的组成：所述4层透射型相位梯度超表面由4层相同结构的相位梯度超表面以间距h2堆叠组成，每层由介质及其正面金属铜构成；
所述反射型相位梯度超表面和透射型相位梯度超表面是由十字覆铜的结构组成，其中十字覆铜的臂长是Lref和Ltra，臂长Lref和Ltra是可变的，根据相位补偿原理计算相位补偿大小，得到十字覆铜的臂长。
2.如权利要求1所述的相位梯度超表面单元，其特征在于，所述上部分和下部分采用介电常数为2.65的介质板。
3.如权利要求1所述的相位梯度超表面单元，其特征在于，所述相位梯度超表面单元结构参数值为：tref＝tfss＝ttra＝1mm，WFSS＝1mm，h1＝8mm，h2＝2mm，RFSS＝6.3mm，Wref＝1.2mm，Wtra＝0.7mm，Ltra2＝9.5mm，Wtra2＝2.4mm，Q1＝15mm，Q2＝25mm；tref:反射型相位梯度超表面介质厚度，tfss:频率选择表面介质厚度，ttra:透射型相位梯度超表面介质厚度，WFSS:频率选择表面背面缝隙环宽度，h1、:频率选择表面与透射型相位梯度超表面间距，h2:4层透射型相位梯度超表面之间的间距，RFSS:频率选择表面背面中心圆半径，Wref:反射型相位梯度超表面正面十字臂宽度，Wtra:透射型相位梯度超表面正面十字臂宽度，Ltra2:透射型相位梯度超表面正面四周矩形长度，Wtra2:透射型相位梯度超表面正面四周矩形宽度，Q1:反射型相位梯度超表面边长，Q2:透射型相位梯度超表面边长。
4.一种由权利要求1所述相位梯度超表面单元构成的双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统，其特征在于，所述双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统由12*12个反射型单元以及8*8个透射型单元组成，在透射频率处θ＝180°方向和反射频率处θ＝0°方向实现了波束汇聚。
5.如权利要求4所述的双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统，其特征在于，所述双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统由5层介质板及相应表面覆铜通过螺丝、套筒和螺母连接构成；馈源放置于预先设定好焦距f的位置正面照射所发明的相位梯度超表面，在反射频率15GHz和透射频率5.6GHz处实现相应反射方向θ＝0°和透射方向θ＝180°的波束汇聚。
6.一种应用权利要求4或5任意一项所述双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统的多频率多位置接收机的通信系统，其特征在于，所述多频率多位置接收机的通信系统放入发射机发射的两个频率的准球面电磁波转换成沿着相应反射和透射两个方向辐射的平面波。
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