CN110401038A - ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面 - Google Patents

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    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

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Abstract

本发明公开了一种在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，该可编程超表面由20×20个基本单元结构组成，基本单元结构如图1所示，整个超表面的尺寸较小，可以实现小型化。通过设计的不同波束偏折角度，得到这个超表面的数字编码，进而来控制每一个基本单元结构的状态，实现不同角度的波束指向，从而达到波束扫描的目的。本发明的反射式可编程超表面制作简单、容易集成、成本较低和尺寸小，可直接用于毫米波通信系统中。

Description

ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面
技术领域
本发明是一种应用于ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，属于天线和新型人工电磁材料领域。
背景技术
新型人工电磁材料是一种具有亚波长特性的人工结构，通过人工设计单元结构实现特定的等效介电常数和等效磁导率，因此可以得到许多非自然特性，实现多种电磁功能。超表面是二维的新型人工电磁材料，由于其成本低、制作简单、控制电磁波的灵活性等特点而受到广泛关注。近年来，可编程超表面被提出用于动态操纵电磁波，显示出一种对无线通信波束赋形具有吸引力的机制。可编程超表面由大量可重构的元件组成，这些元件通常包含由外部电压驱动的PIN二极管或变容二极管，波束扫描可以通过动态调控这些元件来实现。
毫米波天线技术已成为第五代(5G)无线通信的关键技术之一，为了提高信道容量和信号覆盖范围，利用大型毫米波天线建立多输入多输出(MIMO)系统。然而，MIMO系统要求每个天线都有收发器，这导致了硬件实现和软件算法的复杂性。引入可编程超表面后，使整个MIMO系统与传统的MIMO系统相比，每个单元不需要射频收发器，大大降低了系统的复杂度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种基于新型人工电磁材料理论在ka波段的可编程超表面，可以实现120°范围的波束扫描，提出的可编程超表面具有低成本、小型化和易加工等特点。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，由20×20个基本单元周期排列构成，每个基本单元由依次堆叠的第一金属层、第一介质层、第二金属层、粘合片层、第二介质层和馈电层构成。
进一步地，基本单元的结构周期为5mm。
进一步地，第一介质层的厚度为0.762mm，第二介质层的厚度为0.254mm，这两个介质层的介电常数为3.66，正切损耗角为0.0037。
进一步地，粘合片层为采用FR-4板材的粘合片层，粘合片层将第二金属层和第二介质层连接，厚度为0.25mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.025。
进一步地，基本单元的第一金属层为方形，方形的一边具有槽口，槽口内平行于槽口所在边的边为底边，自底边有延伸出的宽度小于槽口宽度的长条形枝节，长条形枝节具有开缝，在开缝处设有一个PIN二极管。
进一步地，馈电层具有半径大致为四分之一波长的扇形枝节，且通过实心铜柱依次穿过第一介质层的过孔、第二金属层的过孔、粘合片层的过孔和第二介质层的过孔后与第一金属层上的PIN二极管远离槽口底边的端部电学互联。
第二层金属层的过孔要大于实心铜柱的直径，避免两者接触，防止短路，馈电层作为正极供电。
进一步地，在第一金属层具有槽口所在边的相邻边上具有延伸出的触点，触点通过实心铜柱穿过第一介质层的过孔与第二金属层电学互联，第二金属层通过实心铜柱穿过粘合片层的过孔和第二介质层的过孔后外露在第二介质层的表面。
实心铜柱露出第二介质层的部分作为负极。
当沿着二极管方向的线极化电磁波照射基本单元结构时，二极管处于通断两种状态的单元在28GHz左右的反射相位差为180°，两种状态的反射幅度很高。当该线极化波电磁波照射到20×20个基本单元结构组成的超表面，实现了波束扫描。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势：
1.本发明的厚度约为波长的十分之一，由基本单元结构组成的可编程超表面长宽各为 100mm，实现了小型化设计，容易便携。
2.本发明可以用成熟的PCB制板技术完成制作，并且成本低，容易集成。
3.本发明通过特定的数字编码，可以使反射波束朝着指定方向偏折，并且具有较宽的波束扫描范围。
4.本发明可以用在ka波段毫米波通信系统中，提高通信系统的信道容量和信号覆盖范围。
附图说明
图1是反射式可编程超标面的基本单元结构示意图；
图2是基本单元结构的反射幅度；
图3是基本单元结构的反射相位；
图4是超表面的结构示意图；
图5是角锥形喇叭45°斜入射激励超表面示意图；
图6是(10°,0°)反射波束仰角的超表面编码方案，颜色浅的代表数字1，颜色深的代表数字0；
图7是(10°,0°)反射波束仰角的远场理论计算结果；
图8是-60°到60°波束扫描结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
一种在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，由20×20个基本单元周期排列构成，每个基本单元由依次堆叠的第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、粘合片层4、第二介质层5和馈电层6构成。
第一介质层2的厚度为0.762mm，第二介质层5的厚度为0.254mm，这两个介质层的介电常数为3.66，正切损耗角为0.0037。
粘合片层为采用FR-4板材的粘合片层，粘合片层将第二金属层3和第二介质层5连接，厚度为0.25mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.025。
基本单元的第一金属层1为方形，方形的一边具有槽口，槽口内平行于槽口所在边的边为底边，自底边有延伸出的宽度小于槽口宽度的长条形枝节，长条形枝节具有开缝，在开缝处设有一个PIN二极管。
馈电层具有半径为四分之一波长的扇形枝节，且通过实心铜柱依次穿过第一介质层 2的过孔、第二金属层3的过孔、粘合片层4的过孔和第二介质层5的过孔后与第一金属层1上的PIN二极管远离槽口底边的端部电学互联。
在第一金属层具有槽口所在边的相邻边上具有延伸出的触点，触点通过实心铜柱穿过第一介质层2的过孔与第二金属层3电学互联，第二金属层3通过实心铜柱穿过粘合片层4的过孔和第二介质层5的过孔后外露在第二介质层5的表面。
实施例
如图1所示，给出了本发明的基本单元结构，其基本单元结构包括从上到下依次设置的第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、粘合片层4、第二介质层5和馈电层 6构成，基本单元周期p＝5mm，第一介质层和第二介质层的厚度分别为h1和h3，粘合片层的厚度为h2，金属层和馈电层的厚度均为0.018mm，两种板材均为铜，为了在28GHz 频点上满足如图2和图3所示的谐振特性，设计并优化出如图1所示的第一金属层结构，第一金属层中焊接一个二极管，型号为MACOM MADP-000907-14020，然后在馈电层改变电压，从而改变PIN二极管两端的电压，使PIN二极管工作在通断两种状态。实心铜柱连接着第一金属层与馈电层，并且在该铜柱与第二金属层连接的地方挖出一个比铜柱半径更大的通孔，避免两者接触，同时在图1中的7添加一个实心铜柱，将第一金属层和第二金属层连接起来并延伸至馈电层部分，留出一个供电的地方，馈电层使用了半径大致为四分之一波长的扇形枝节，通过该扇形枝节可以很好地隔离微波信号和直流信号，扇形枝节作为电源的正极，从图1中的7延伸下来的实心铜柱作为电源的负极。
如图2所示，仿真结果显示基本单元结构的二极管在不同状态时的反射幅度，从图中可以看出在28GHz左右，两种状态的反射幅度均大于-1dB。
如图3所示，仿真结果显示基本单元结构的二极管在不同状态时的反射相位以及两种状态的相位差，从图中可以看出在28GHz左右，两种状态的相位差为180°。
如图4所示，ka波段实现波束扫描的可编程反射式超表面由20×20个基本单元结构组成，整个口面的尺寸大小为100mm×100mm。
如图5所示，仿真时采用角锥形喇叭45°斜入射照射超表面，喇叭放置在距离口面中心150mm处。
如图6所示，给出了(10°,0°)反射波束仰角的超表面编码方案，黄色代表数字1，蓝色代表数字0，数字1表示二极管处于导通状态，数字0表示二极管处于断开状态，通过设置不同的超表面编码方案，可以实现不同角度的波束偏折。
如图7所示，给出了(10°,0°)反射波束仰角的远场理论计算结果。
如图8所示，给出了-60°到60°波束扫描结果，结果显示(0°,0°)的波束主瓣增益最大，并且随着角度的增大，主瓣增益减小。当角度在±40°和±50°，波束指向有约1°的误差；当角度在±60°时，波束指向有约2°的误差。波束的旁瓣电平都比较低，仿真效果良好。

Claims (7)

1.一种在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，其特征在于：由20×20个基本单元周期排列构成，每个基本单元由依次堆叠的第一金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、粘合片层(4)、第二介质层(5)和馈电层(6)构成。
2.根据权利要求1所述的在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，其特征在于：基本单元的结构周期为5mm。
3.根据权利要求1所述的在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，其特征在于：第一介质层(2)的厚度为0.762mm，第二介质层(5)的厚度为0.254mm，这两个介质层的介电常数为3.66，正切损耗角为0.0037。
4.根据权利要求1所述的在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，其特征在于：粘合片层为采用FR-4板材的粘合片层，粘合片层将第二金属层(3)和第二介质层(5)连接，厚度为0.25mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.025。
5.根据权利要求1所述的在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，其特征在于：基本单元的第一金属层(1)为方形，方形的一边具有槽口，槽口内平行于槽口所在边的边为底边，自底边有延伸出的宽度小于槽口宽度的长条形枝节，长条形枝节具有开缝，在开缝处设有一个PIN二极管。
6.根据权利要求5所述的在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，其特征在于：馈电层具有半径大致为四分之一波长的扇形枝节，且通过实心铜柱依次穿过第一介质层(2)的过孔、第二金属层(3)的过孔、粘合片层(4)的过孔和第二介质层(5)的过孔后与第一金属层(1)上的PIN二极管远离槽口底边的端部电学互联。
7.根据权利要求5所述的在ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面，其特征在于：在第一金属层具有槽口所在边的相邻边上具有延伸出的触点，触点通过实心铜柱穿过第一介质层(2)的过孔与第二金属层(3)电学互联，第二金属层(3)通过实心铜柱穿过粘合片层(4)的过孔和第二介质层(5)的过孔后外露在第二介质层(5)的表面。
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