CN113206386A - 毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面 - Google Patents

毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面，属于人工电磁器件领域，包括：依次堆叠的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和馈电层；第一金属层为方形结构，在其一条宽边的一侧延伸出一长条形枝节，其上蚀刻有缝隙，且在缝隙处加载有开关器件；第二金属层作为金属地板；长条形枝节远离方形结构的一端通过导电柱穿过第一介质基板上的过孔与第二金属层连接；馈电层作为正极；馈电层通过第二导电柱依次穿过第二介质基板、第二金属层和第一介质基板上的过孔后连接到第一金属层的中心；在开关器件不同状态下，单元呈现出两种不同的逻辑状态。本发明能够解决毫米波通信中的毫米波遮挡和设备部署成本过高的问题。

Description

毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面
技术领域
本发明属于人工电磁器件领域，更具体地，涉及一种毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面。
背景技术
第五代移动通信技术中引入了毫米波通信这一关键技术。相对于4G而言，毫米波通信由于带宽资源巨大，可以将数据吞吐率提升两个量级。然而，5G毫米波通信所存在的两大问题，其一是毫米波通信的遮挡问题。由于频点较高，毫米波穿透能力很弱，绕射、散射不明显。这就导致了毫米波信号容易因障碍物的遮挡而急剧衰减。其二是部署成本较高，由于硬件系统的复杂度较高，器件数增加，导致整个系统硬件成本急剧上升。
对波束进行动态调控是解决遮挡问题的常见思路。目前，已经有一些技术可以实现电磁波的即时调控，例如对喇叭天线、阵列天线等定向辐射天线进行机械转动，或者电控扫描有源相控阵天线，即给相控阵天线各个单元连接可控有源器件，对各单元的出射相位进行控制以实现电控扫描调控电磁波。但是，前者扫描速度慢且机械需要定期维护，后者系统复杂，成本高且维护困难。
电磁超材料是一种新型人工电磁材料，它由周期性排列的特定形状亚波长尺寸结构单元构成。超材料具有自然界中不存在的独特电磁特性，通过设计可以实现极端的媒介参数，以获得一些不寻常的物理特性，如负折射现象等。超材料的电磁特性取决于单元结构，因此，可以通过单元结构设计实现对电磁波的调控。电磁超表面是具有超薄平面结构的二维形式超材料。作为对超材料的发展和延伸，超表面的平面结构让它能够完全调控电磁波传播的同时，具有低损耗、易设计、部署灵活等优势。通过适当的方式，超表面能够让信息的传输与处理更加可靠。但是，目前大部分智能超表面单元结构不能应用于5G通信毫米波频段，能够应用于5G通信毫米波频段的智能超表面也只能适用于特定的工作频率，因此，毫米波智能超表面的实现仍旧是一个难点。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面，旨在解决毫米波通信中的毫米波遮挡和设备部署成本过高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种毫米波智能超表面单元，包括依次堆叠的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和馈电层；
第一金属层为方形结构，在其一条宽边的一侧延伸出一长条形枝节，长条形枝节上蚀刻有缝隙，且在缝隙处加载有开关器件；
第二金属层作为金属地板；长条形枝节远离第一金属层方形结构的一端通过第一导电柱穿过第一介质基板上的第一过孔与第二金属层连接；
馈电层作为正极；馈电层通过第二导电柱依次穿过第二介质基板上的过孔、第二金属层上的过孔和第一介质基板上的第二过孔后连接到第一金属层的中心。
在开关器件断开和闭合的状态下，毫米波智能超表面单元呈现出两种不同的逻辑状态。
本发明所提供的毫米波智能超表面单元，在开关器件断开和闭合的状态下，毫米波智能超表面单元呈现出两种不同的逻辑状态，具体来说，在开关断开和闭合的状态下，会影响单元的电磁特性，使得在两种不同的状态下，沿着长条形枝节方向的线极化电磁波照射智能超表面单元时，反射相位差为180°或者在180°附近，因此，本发明所提供的毫米波智能超表面单元可用于毫米波通信系统中，并且利用智能超表面实现毫米波波束定向反射功能，不仅可以绕开障碍物的遮挡，提高毫米波通信系统的覆盖能力，还能实现信号增强功能，有效解决毫米波遮挡的问题。此外，由于本发明所提供的毫米波智能超表面单元结构简单，且除了传感器外，其中的器件均为低成本的无源器件，能够有效地降低毫米波通信系统的部署成本。
进一步地，在n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段内，第一金属层的长px和宽py与期望的工作频率frequency及工作频率frequency处的反射相位差phase满足如下关系：
frequency＝α+β·px+γ·py
Figure BDA0003012692050000031
其中，α、β、γ、a、b、c、d和e均为系数。
本发明所提供的毫米波智能超表面单元，其中第一金属层的长px和宽py与期望的工作频率及工作频率出的反射相位差之间存在显式的解析表达式关系，通过调节第一金属层的长px和宽py，可以实现5G通信毫米波频段(包括n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段)内任一工作频率下的毫米波通信，其适用范围更广，能够更好地适用于5G通信毫米波频段。
进一步地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值范围分别为：
49.5<α<51.1，-5.8<β<-5.2，-2.8<γ<-2.5；
465.4<a<576.5，-212.1<b<-169.8，73.3<c<120.5，-14.4<d<2.81，-6.1<e<-0.4。
基于上述系数范围设定，本发明所提出的毫米波智能超表面单元可以很好地适用于3GPP标准中的n257(26.5GHz-29.5GHz)、n258(24.25GHz-27GHz)和n261(27.5GHz-28.35GHz)频段。
进一步地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值为：
α＝50.3，β＝-5.5，γ＝-2.7；
a＝520.9，b＝-190.9，c＝97.0，d＝-5.8，e＝-3.2。
基于上述系数设定，本发明所提供的毫米波智能超表面单元在3GPP标准中的n257频段、n258频段和n261频段内，其工作频率及工作频率处的反射相位差最接近期望值，性能达到最优。
进一步地，第一介质基板的厚度为0.762mm，介电常数为3.66，正切损耗角为0.0037；第二介质基板的厚度为0.2mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.025；第一金属层、第二金属层以及馈电层的厚度均为35μm。
在一些可选的实施方式中，第二导电柱位于馈电层的一端还连接有导线，用于接收控制信号或连接电源。
进一步地，在n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段内，所述第一金属层(1)的长px和宽py与期望的工作频率frequency及所述工作频率frequency处的反射相位差phase满足如下关系：
frequency＝α+β·px+γ·py
phase＝a+b·px+c·py
其中，所述方形结构中所述长条形枝节所在边为宽；α、β、γ、a、b和c均为系数。
进一步地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值范围分别为：
48.9<α<50.5，-6.1<β<-5.6，-2.5<γ<-2.1；
507<a<526.9，-152.0<b<-148.9，43.1<c<47.8。
进一步地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值为：
α＝49.7，β＝-5.9，γ＝-2.3；
a＝516.9，b＝-152.0，c＝45.5。
基于上述系数设定，本发明所提供的毫米波智能超表面单元在3GPP标准中的n257频段、n258频段和n261频段内，其工作频率及工作频率处的反射相位差最接近期望值，性能达到最优。
进一步地，第二金属层上的过孔孔径大于第二导电柱的直径，由此能够避免第二金属层与第二导电柱接触导致短路。
进一步地，第二导电柱的半径为0.1mm。
进一步地，开关器件为射频开关、声控传感器、光控传感器或压控传感器。
进一步地，射频开关为微机电系统开关、PIN二极管或场效应管；这些射频开关十分常用，相关技术较为成熟，本发明直接选用这些射频开关，能够在保证功能实现的同时，有效降低成本。
按照本发明的另一个方面，提供了一种毫米波智能超表面，包括周期性排列的超表面单元，超表面单元为本发明提供的毫米波智能超表面单元。
按照本发明的又一个方面，提供了本发明所提供的毫米波智能超表面单元和/或本发明所提供的毫米波智能超表面在毫米波通信中的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的毫米波智能超表面单元，能够用于毫米波通信系统中，并且利用智能超表面的实现毫米波波束定向反射功能，不仅可以绕开障碍物的遮挡，提高毫米波通信系统的覆盖能力，还能实现信号增强功能，有效解决毫米波遮挡的问题；此外，由于本发明所提供的毫米波智能超表面单元结构简单，且除了传感器外，其中的器件均为低成本的无源器件，能够有效地降低毫米波通信系统的部署成本。
(2)本发明提供的毫米波智能超表面单元，通过调节第一金属层的长px和宽py，可以实现5G通信毫米波频段(包括n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段)内任一工作频率下的毫米波通信，其适用范围更广，能够更好地适用于5G通信毫米波频段。
(3)实验表明，本发明提供的毫米波智能超表面单元，具有较大的带宽和较小的反射损耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的毫米波智能超表面单元示意图；
图2为本发明实施例提供的毫米波智能超表面单元的俯视图；
图3为本发明实施例提供的毫米波智能超表面单元的仰视图；
图4为本发明实施例提供的又一种毫米波智能超表面单元的仰视图；
图5为本发明应用实例1中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射幅度曲线；
图6为本发明应用实例1中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射相位及相位差曲线；
图7为本发明应用实例2中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射幅度曲线；
图8为本发明应用实例2中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射相位及相位差曲线；
图9为本发明应用实例3中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射幅度曲线；
图10为本发明应用实例3中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射相位及相位差曲线；
图11为本发明应用实例4中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射幅度曲线；
图12为本发明应用实例4中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射相位及相位差曲线；
图13为本发明应用实例5中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射幅度曲线；
图14为本发明应用实例5中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射相位及相位差曲线；
图15为本发明应用实例6中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射幅度曲线；
图16为本发明应用实例6中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射相位及相位差曲线；
图17为本发明应用实例7中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射幅度曲线；
图18为本发明应用实例7中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射相位及相位差曲线；
图19为本发明应用实例8中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射幅度曲线；
图20为本发明应用实例8中，毫米波智能超表面单元在不同逻辑状态下，其反射信号的反射相位及相位差曲线；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为第一金属层，2为第一介质基板，3为第二金属层，4为第二介质基板，5为馈电层，6为开关器件，7为实心铜柱，8为导线。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明提供的毫米波智能超表面单元，如图1～图3所示，包括依次堆叠的第一金属层1、第一介质基板2、第二金属层3、第二介质基板4和馈电层5；
第一金属层1为方形结构，在其一条宽边的一侧延伸出一长条形枝节，长条形枝节上蚀刻有缝隙，且在缝隙处加载有开关器件6；
第二金属层2作为金属地板；长条形枝节远离第一金属层1中方形结构的一端通过第一导电柱穿过第一介质基板上的第一过孔与第二金属层连接；
馈电层5作为正极；馈电层5通过第二导电柱依次穿过第二介质基板4上的过孔、第二金属层3上的过孔和第一介质基板2上的第二过孔后连接到第一金属层1的中心；
在开关器件6断开和闭合的状态下，毫米波智能超表面单元呈现出两种不同的逻辑状态；
按照等效电路理论，谐振频率
Figure BDA0003012692050000081
本发明中，影响结构谐振频率的主要因素是第一金属层1中方形结构的长和宽；改变方形结构的长px和宽py均会影响方形结构的等效电容与等效电感，进而对谐振频率产生影响；
5G通信毫米波频段包括n257(26.5GHz-29.5GHz)频段、n258(24.25GHz-27GHz)频段、n261(27.5GHz-28.35GHz)频段、n259(39.5GHz-43.5GHz)频段和n260(37GHz-40GHz)频段，在这些5G通信毫米波频段内，第一金属层1的长px和宽py与期望的工作频率frequency及工作频率frequency处的反射相位差phase满足如下关系：
frequency＝α+β·px+γ·py (1)
Figure BDA0003012692050000082
其中，α、β、γ、a、b、c、d和e均为系数。
在实际应用中，基于工作频率所属的频段，可相应设定单元中各层结构的参数；考虑到介电常数、介质厚度对谐振频率、反射效率均有影响，在一些可选的实施例中，第一介质基板2的厚度为0.762mm，介电常数为3.66，正切损耗角为0.0037；第二介质基板4的厚度为0.2mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.025；第一金属层1、第二金属层3以及馈电层5的厚度均为35μm；
实验结果表明，在95％的置信区间内，上述公式(1)和(2)中各系数取值范围分别为：49.5<α<51.1，-5.8<β<-5.2，-2.8<γ<-2.5；465.4<a<576.5，-212.1<b<-169.8，73.3<c<120.5，-14.4<d<2.81，-6.1<e<-0.4。
在一些可选的实施例中，为了获得最优性能，各系数的具体取值可设定为分别α＝50.3，β＝-5.5，γ＝-2.7；a＝520.9，b＝-190.9，c＝97.0，d＝-5.8，e＝-3.2。
为避免第二金属层3与第二导电柱接触导致短路，在一些可选的实施例中，第二金属层3上的过孔孔径大于第二导电柱的直径。
在一些可选的实施例中，第二导电柱的半径具体为0.1mm。
在一些可选的实施例中，开关器件为射频开关，优选采用微机电系统开关(MEMSSwitch)、PIN二极管、场效应管等常用的射频开关。
在一些可选的实施例中，开关器件为声控传感器、光控传感器或压控传感器等传感器。
在一些可选的实施例中，第一导电柱和第二导电柱均为实心铜柱7。
在一些可选的实施例中，长条形枝节上蚀刻的缝隙为矩形缝隙。
为了便于接收控制信号或连接电源，在一些可选的实施方式中，如图4所示，第二导电柱位于馈电层5的一端还连接有导线8；导线8可以是常用的金属导线，其用于接收控制信号时，所接收的控制信号用于控制开关器件的通断；其用于接收电源时，该导线用于为开关器件供电。
在包含导线8时，在n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段内，所述第一金属层(1)的长px和宽py与期望的工作频率frequency及所述工作频率frequency处的反射相位差phase满足如下关系：
frequency＝α+β·px+γ·py (3)
phase＝a+b·px+c·py (4)
其中，所述方形结构中所述长条形枝节所在边为宽；α、β、γ、a、b和c均为系数；
实验结果表明，在95％的置信区间内，上述公式(3)和(4)中，各系数的取值范围分别为：48.9<α<50.5，-6.1<β<-5.6，-2.5<γ<-2.1；507<a<526.9，-152.0<b<-148.9，43.1<c<47.8；
在一些可选的实施例中，为了获得最优性能，各系数的具体取值可设定为分别为α＝49.7，β＝-5.9，γ＝-2.3；a＝516.9，b＝-152.0，c＝45.5。
总体而言，本发明提供的毫米波智能超表面单元，能够用于5G毫米波通信系统中，并且利用智能超表面的实现毫米波波束定向反射功能，不仅可以绕开障碍物的遮挡，提高毫米波通信系统的覆盖能力，还能实现信号增强功能，有效解决毫米波遮挡的问题；此外，由于本发明所提供的毫米波智能超表面单元结构简单，且除了传感器外，其中的器件均为低成本的无源器件，能够有效地降低毫米波通信系统的部署成本。实验表明，本发明提供的毫米波智能超表面单元具有较大的带宽和较低的反射损耗，能够很好地应用于5G毫米波通信。
基于本发明提供的毫米波智能超表面单元，本发明还提供了一种毫米波智能超表面，其中包括周期性排列的超表面单元，该超表面单元即为本发明提供的毫米波智能超表面单元。
在实际应用中，可根据具体的工作频率所属频段，相应设定毫米波智能超表面中单元的周期；例如，考虑到单元周期小于等于半波长，当应用于3GPP标准中n257(26.5GHz-29.5GHz)、n258(24.25GHz-27GHz)、n261(27.5GHz-28.35GHz)频段时，在一些可选的实施例中，单元周期(即图2中的“L”)具体设定为5.36mm；又例如，当应用于n260(37GHz-40GHz)频段时，在一些可选的实施例中，单元周期具体设定为3.75mm；当应用于n259(39.5GHz-43.5GHz)频段时，在一些可选的实施例中，单元周期具体设定为3.2mm。
以下结合几个具体的应用实例，对本发明所能取得的技术效果做进一步的解释说明。以下应用实例1～6中，单元不包含导线8；以下应用实例7～8中，单元包含导线8。
应用实例1：
本应用实例中，期望的工作频率为n257频段内的28GHz，该工作频率下的反射相位差为180°；第一介质基板2的厚度为0.762mm，介电常数为3.66，正切损耗角为0.0037；第二介质基板4的厚度为0.2mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.025；第一金属层1、第二金属层3以及馈电层5的厚度均为35μm；各系数的具体取值分别为α＝50.3，β＝-5.5，γ＝-2.7；a＝520.9，b＝-190.9，c＝97.0，d＝-5.8，e＝-3.2；开关器件6具体为PIN二极管，型号为MACOMMA4AGP907；
基于设定的系数，将期望的工作频率28GHz和工作频率下的相位差180°代入上述表达式(1)和(2)，可计算得到本应用实例中毫米波智能超表面单元中第一金属层1的方形结构的长和宽分别为：px＝2.78mm，py＝2.60mm。
PIN二极管开关断开状态下，单元处于逻辑状态“0”；PIN二极管开关闭合状态下，单元处于逻辑状态“1”；在PIN二极管开关断开和闭合状态下，通过仿真得到本应用实例中毫米波智能超表面单元的反射信号幅度随频率变化的曲线，如图5所示，以及毫米波智能超表面单元的反射信号相位和两种状态下的相位差随频率变化的曲线，如图6所示。
根据图6所示仿真结果可知，在28GHz左右，两种状态的相位差为180°，以180°+20°为标准，本智能超表面单元的带宽为1.5GHz；结合图5所示的仿真结果可知，在带宽范围内反射幅度大于-2.5dB。总而而言，本应用实例提供的毫米波智能超表面单元有着较大的带宽和较小的反射损耗。
应用实例2：
一种毫米波智能超表面单元，本应用实例与上述应用实例1类似，所不同之处在于，本应用实例中，期望的工作频率为n258频段内的26GHz，在期望的工作频率处的相位差为160°；
将工作频率26GHz和该工作频率下的相位差160°代入上述关系表达式(1)和(2)，可计算得到本应用实例中毫米波智能超表面单元中第一金属层1的方形结构的长和宽分别为：px＝2.97mm，py＝2.94mm。
在PIN二极管开关断开和闭合状态下，通过仿真得到本应用实例中毫米波智能超表面单元的反射信号幅度随频率变化的曲线，如图7所示，以及毫米波智能超表面单元的反射信号相位和两种状态下的相位差随频率变化的曲线，如图8所示。
根据图8所示的仿真结果可知，在26GHz左右，两种状态的相位差为160°，以180°±20°为标准，本应用实例中，毫米波智能超表面单元的带宽为1.8GHz；结合图7所示的仿真结果可知，在带宽范围内反射幅度大于-3.5dB。总体而言，本应用实例所提供的毫米波智能超表面单元有着较大的带宽和较小的反射损耗。
应用实例3：
一种毫米波智能超表面单元，本应用实例与上述应用实例1类似，所不同之处在于，本应用实例中，所选用的PIN二极管，型号为MACOM MA4AGFCP910，且本应用实例中，期望的工作频率为n260频段的37.5GHz，且在工作频率下的反射相位差为180°；单元周期3.75mm；第一金属层1的方形结构的长和宽分别为：px＝2.35mm，py＝0.7mm。
在PIN二极管开关断开和闭合状态下，通过仿真得到本应用实例中毫米波智能超表面单元的反射信号幅度随频率变化的曲线，如图9所示，以及毫米波智能超表面单元的反射信号相位和两种状态下的相位差随频率变化的曲线，如图10所示。
根据图9和图10所示的仿真结果可知，在37.5GHz左右，两种状态的相位差为180°，以180°+20°为标准，本应用实例中，毫米波智能超表面单元的带宽为1.3GHz；在带宽范围内反射幅度大于-4.5dB。。
应用实例4：
一种毫米波智能超表面单元，本应用实例与上述应用实例1类似，所不同之处在于，本应用实例中，期望的工作频率为n258频段的24.5GHz，且在该工作频率下的反射相位差为180°；
将工作频率24.5GHz和该工作频率下的相位差180°代入上述关系表达式(1)和(2)，可计算得到本应用实例中毫米波智能超表面单元中第一金属层1的方形结构的长和宽分别为：px＝3.01mm，py＝3.42mm。
在PIN二极管开关断开和闭合状态下，通过仿真得到本应用实例中毫米波智能超表面单元的反射信号幅度随频率变化的曲线，如图11所示，以及毫米波智能超表面单元的反射信号相位和两种状态下的相位差随频率变化的曲线，如图12所示。
根据图11和图12所示的结果可知，以180°+20°为标准，本应用实例中，毫米波智能超表面单元的带宽为1.5GHz；在带宽范围内反射幅度大于-3dB。
应用实例5：
一种毫米波智能超表面单元，本应用实例与上述应用实例3类似，所不同之处在于，本应用实例中，期望的工作频率为n259频段的42.8GHz，且在该工作频率下的反射相位差为180°；单元周期为3.2mm；毫米波智能超表面单元中第一金属层1的方形结构的长和宽分别为：px＝2.17mm，py＝0.33mm。
在PIN二极管开关断开和闭合状态下，通过仿真得到本应用实例中毫米波智能超表面单元的反射信号幅度随频率变化的曲线，如图13所示，以及毫米波智能超表面单元的反射信号相位和两种状态下的相位差随频率变化的曲线，如图14所示。
根据图13和图14所示结果可知，以180°+20°为标准，本应用实例中，毫米波智能超表面单元的带宽为1.2GHz；在带宽范围内反射幅度大于-5.5dB。
应用实例6：
一种毫米波智能超表面单元，本应用实例与上述应用实例1类似，所不同之处在于，本应用实例中，期望的工作频率为n257频段内的29.5GHz，在期望的工作频率处的相位差为180°；
将工作频率29.5GHz和该工作频率下的相位差180°代入上述关系表达式(1)和(2)，可计算得到本应用实例中毫米波智能超表面单元中第一金属层1的方形结构的长和宽分别为：px＝2.67mm，py＝2.27mm。
在PIN二极管开关断开和闭合状态下，通过仿真得到本应用实例中毫米波智能超表面单元的反射信号幅度随频率变化的曲线，如图15所示，以及毫米波智能超表面单元的反射信号相位和两种状态下的相位差随频率变化的曲线，如图16所示。
根据图15和图16所示的仿真结果可知，在29.5GHz左右，两种状态的相位差为180°，以180°+20°为标准，本应用实例中，毫米波智能超表面单元的带宽为1.4GHz；在带宽范围内反射幅度大于-2.5dB。总体而言，本应用实例所提供的毫米波智能超表面单元有着较大的带宽和较小的反射损耗。
应用实例7：
一种毫米波智能超表面单元，本应用实例与上述应用实例1类似，所不同之处在于，单元中还包括导线8；期望的工作频率为29.5GHz，该工作频率下的反射相位差为180°。
将该期望的工作频率和对应的反射相位差代入上述公式(3)和(4)，得到方形结构中，Px＝2.74mm，Py＝1.75mm。
PIN二极管开关断开状态下，单元处于逻辑状态“0”；PIN二极管开关闭合状态下，单元处于逻辑状态“1”；在PIN二极管开关断开和闭合状态下，通过仿真得到本应用实例中毫米波智能超表面单元的反射信号幅度随频率变化的曲线，如图17所示，以及毫米波智能超表面单元的反射信号相位和两种状态下的相位差随频率变化的曲线，如图18所示。
根据图17和图18所示结果可知，相应的带宽为1.4GHz，损耗小于-2.5dB。
应用实例8：
一种毫米波智能超表面单元，本应用实例与上述应用实例1类似，所不同之处在于，单元中还包括导线8；期望的工作频率为24.5GHz，该工作频率下的反射相位差为180°。
将该期望的工作频率和对应的反射相位差代入上述公式(3)和(4)，得到方形结构中，Px＝3.11mm，Py＝2.98mm。
PIN二极管开关断开状态下，单元处于逻辑状态“0”；PIN二极管开关闭合状态下，单元处于逻辑状态“1”；在PIN二极管开关断开和闭合状态下，通过仿真得到本应用实例中毫米波智能超表面单元的反射信号幅度随频率变化的曲线，如图19所示，以及毫米波智能超表面单元的反射信号相位和两种状态下的相位差随频率变化的曲线，如图20所示。
根据19和图20所示的结果可知，相应的带宽为1.6GHz，损耗小于-2.5dB。
本领域的技术人员容易理解，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 (10)

1.一种毫米波智能超表面单元，其特征在于，包括依次堆叠的第一金属层(1)、第一介质基板(2)、第二金属层(3)、第二介质基板(4)和馈电层(5)；
所述第一金属层(1)为方形结构，在其一条边的一侧延伸出一长条形枝节，所述长条形枝节上蚀刻有缝隙，且在所述缝隙处加载有开关器件；
所述第二金属层(3)作为金属地板；所述长条形枝节远离方形结构的一端通过第一导电柱穿过所述第一介质基板(2)上的第一过孔与所述第二金属层(3)连接；
所述馈电层(5)作为正极；所述馈电层(5)通过第二导电柱依次穿过所述第二介质基板(4)上的过孔、所述第二金属层(3)上的过孔和所述第一介质基板(2)上的第二过孔后连接到所述第一金属层(1)的中心；
在所述开关器件断开和闭合的状态下，所述毫米波智能超表面单元呈现出两种不同的逻辑状态。
2.如权利要求1所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，在n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段内，所述第一金属层(1)的长px和宽py与期望的工作频率frequency及所述工作频率frequency处的反射相位差phase满足如下关系：
frequency＝α+β·px+γ·py
Figure FDA0003012692040000011
其中，所述方形结构中所述长条形枝节所在边为宽；α、β、γ、a、b、c、d和e均为系数。
3.如权利要求2所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值范围分别为：
49.5<α<51.1，-5.8<β<-5.2，-2.8<γ<-2.5；
465.4<a<576.5，-212.1<b<-169.8，73.3<c<120.5，-14.4<d<2.81，-6.1<e<-0.4；
优选地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值为：
α＝50.3，β＝-5.5，γ＝-2.7；
a＝520.9，b＝-190.9，c＝97.0，d＝-5.8，e＝-3.2。
4.如权利要求3所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，所述第一介质基板(2)的厚度为0.762mm，介电常数为3.66，正切损耗角为0.0037；所述第二介质基板(4)的厚度为0.2mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.025；所述第一金属层(1)、所述第二金属层(3)以及所述馈电层(5)的厚度均为35μm。
5.如权利要求1所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，所述第二导电柱位于所述馈电层的一端还连接有导线(8)，用于接收控制信号或连接电源。
6.如权利要求5所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，在n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段内，所述第一金属层(1)的长px和宽py与期望的工作频率frequency及所述工作频率frequency处的反射相位差phase满足如下关系：
frequency＝α+β·px+γ·py
phase＝a+b·px+c·py
其中，所述方形结构中所述长条形枝节所在边为宽；α、β、γ、a、b和c均为系数。
7.如权利要求6所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值范围分别为：
48.9<α<50.5，-6.1<β<-5.6，-2.5<γ<-2.1；
507<a<526.9，-152.0<b<-148.9，43.1<c<47.8；
优选地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值为：
α＝49.7，β＝-5.9，γ＝-2.3；
a＝516.9，b＝-152.0，c＝45.5。
8.如权利要求1～7任一项所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，所述第二金属层(3)上的过孔孔径大于所述第二导电柱的直径。
9.如权利要求1～8任一项所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，所述开关器件为射频开关、声控传感器、光控传感器或压控传感器；
优选地，所述射频开关为微机电系统开关、PIN二极管或场效应管。
10.一种毫米波智能超表面，包括周期性排列的超表面单元，其特征在于，所述超表面单元为权利要求1～9任一项所述的毫米波智能超表面单元。
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005093904A1 (en) * 2004-01-14 2005-10-06 The Penn State Research Foundation Reconfigurable frequency selective surfaces for remote sensing of chemical and biological agents
JP2005322972A (ja) * 2004-05-06 2005-11-17 Ricoh Co Ltd アンテナモジュールおよび無線モジュール、無線システムならびにその制御方法
CN102157792A (zh) * 2011-02-14 2011-08-17 中国科学院光电技术研究所 一种电控辐射方向图可重构天线
US20180138570A1 (en) * 2014-07-14 2018-05-17 Palo Alto Research Center Incorporated Metamaterial-Based Phase Shifting Element And Phased Array
CN108470973A (zh) * 2018-03-09 2018-08-31 南京航空航天大学 基于缝隙加载的宽带rcs缩减超表面
CN109904623A (zh) * 2019-03-12 2019-06-18 东南大学 一种宽带吸波、散射可调超表面
CN110401038A (zh) * 2019-07-23 2019-11-01 东南大学 ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面
CN111193113A (zh) * 2020-04-01 2020-05-22 杭州灵芯微电子有限公司 一种具有可编程热感知的反射相位调控超表面单元
CN112164894A (zh) * 2020-08-31 2021-01-01 中通服咨询设计研究院有限公司 一种x和s波段的有源可重构频率选择表面
CN112180475A (zh) * 2020-10-23 2021-01-05 青岛大学 一种可调控多功能宽带太赫兹波偏振转换超材料
US20210013617A1 (en) * 2019-07-11 2021-01-14 Nanjing University Of Posts And Telecommunications Reconfigurable wideband phase-switched screen based on artificial magnetic conductor

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005093904A1 (en) * 2004-01-14 2005-10-06 The Penn State Research Foundation Reconfigurable frequency selective surfaces for remote sensing of chemical and biological agents
JP2005322972A (ja) * 2004-05-06 2005-11-17 Ricoh Co Ltd アンテナモジュールおよび無線モジュール、無線システムならびにその制御方法
CN102157792A (zh) * 2011-02-14 2011-08-17 中国科学院光电技术研究所 一种电控辐射方向图可重构天线
US20180138570A1 (en) * 2014-07-14 2018-05-17 Palo Alto Research Center Incorporated Metamaterial-Based Phase Shifting Element And Phased Array
CN108470973A (zh) * 2018-03-09 2018-08-31 南京航空航天大学 基于缝隙加载的宽带rcs缩减超表面
CN109904623A (zh) * 2019-03-12 2019-06-18 东南大学 一种宽带吸波、散射可调超表面
US20210013617A1 (en) * 2019-07-11 2021-01-14 Nanjing University Of Posts And Telecommunications Reconfigurable wideband phase-switched screen based on artificial magnetic conductor
CN110401038A (zh) * 2019-07-23 2019-11-01 东南大学 ka波段实现波束扫描的反射式可编程超表面
CN111193113A (zh) * 2020-04-01 2020-05-22 杭州灵芯微电子有限公司 一种具有可编程热感知的反射相位调控超表面单元
CN112164894A (zh) * 2020-08-31 2021-01-01 中通服咨询设计研究院有限公司 一种x和s波段的有源可重构频率选择表面
CN112180475A (zh) * 2020-10-23 2021-01-05 青岛大学 一种可调控多功能宽带太赫兹波偏振转换超材料

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
梁达川: "太赫兹时域频谱技术研究", 《光电技术应用》 *
沈仕远: "基于编码超表面的双向太赫兹多波束调控器件", 《太赫兹科学与电子信息学报》 *

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