CN113285230A - 一种用于毫米波mimo和空间功率合成的反射式超表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面，包括正方形的反射式超表面主体；反射式超表面主体包括N×N个反射式超表面单元；N为大于2的整数；每个单元包括从上到下依次设置的第一金属贴片、第一介质基板和第一金属背板，为三层结构；第一金属贴片为正方形的金属贴片；第一介质基板的顶面，设置有第一金属贴片；第一介质基板的整个底面，覆盖有第一金属背板；对于在反射式超表面主体不同位置上的每个反射式超表面单元，其具有的反射相位响应符合预设的口径相位分布条件。本发明的反射式超表面，其能够将入射方向不同的电磁波束，经同一反射式超表面进行反射，产生了相同方向的反射波束，验证了其对电磁波的灵活调控。

Description

一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面

技术领域

本发明涉及超表面和贴片天线技术领域，特别是涉及一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面。

背景技术

目前，超材料，因它出众的波前调控能力，引起了社会的广泛关注，也因此得到了飞速的发展。然而，超材料难以实现的等效参数、复杂的三维结构及较高的材料损耗，导致其难以被应用于实际生产。

超表面，作为一种二维形式的超材料，由于其在一个方向上的厚度为亚波长尺寸，因此，其对电磁波的调控机理，已经不再受限于三维超材料的等效媒质理论。

在2011年，一种基于梯度相位的超表面被提出，该超表面实现了反射电磁波的异常反射、折射，即实现了广义斯涅耳反射、折射定律。基于梯度相位的超表面由许多超表面单元组成，在超表面的一个或多个方向上，对超表面单元按照梯度变化的反射或透射相位响应进行排列，当电磁波入射到超表面时，其具有梯度变化规律的相位突变，使得入射电磁波实现了异常反射、折射。在梯度相位超表面出现之后，其对电磁波的强大而又自由的调控能力，引起了科学界的关注。在此之后，研究人员们基于梯度相位超表面的设计思路，实现了空间波到表面波的完美转换、对电磁波的完美透射以及宽频带内对电磁波的幅度相位同时调控。

目前，多进多出(multiple input multiple output，MIMO)技术，作为5G毫米波的关键技术，已经成为现阶段研究热点。MIMO技术可以通过扩展信道容量，来提高数据传输速率，被作为5G最有效的应用。

但是，现阶段的毫米波MIMO系统，是一般由多透镜实现的系统，其存在尺寸大和部分信道信号较弱的弊端，例如图1a所示，由一般透镜构成的2×2MIMO系统(即2发2收，1收1发为一个天线对，是一个射频系统可以正常工作的最小单元)有两条信号较弱的信道。

而在电子对抗中，经常需要产生大功率的电磁波束，现有的空间功率合成技术，经常采用毫米波功率合成技术，由于常采用镀金波导以及复杂的功率分网络，导致成本较高、损耗较大。

因此，目前迫切需要开发出一种技术，能够解决以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面。

为此，本发明提供了一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面，其包括正方形的反射式超表面主体；

反射式超表面主体，包括N×N个反射式超表面单元；N为大于2的整数；

其中，每个反射式超表面单元，包括从上到下依次设置的第一金属贴片、第一介质基板和第一金属背板，为三层结构；

第一金属贴片，为正方形的金属贴片；

第一介质基板的顶面，设置有第一金属贴片；

第一介质基板的整个底面，覆盖设置有第一金属背板；

其中，对于在反射式超表面主体不同位置上的每个反射式超表面单元，其具有的反射相位响应，符合预设的口径相位分布条件。

优选地，反射式超表面主体，包括15×15个反射式超表面单元。

优选地，对于在反射式超表面主体不同位置上的每个反射式超表面单元，其预设的口径相位分布条件，即第一金属贴片的尺寸对应的相位分布，应满足如下公式(1)：

其中，

表示反射式超表面主体在第m行、第n列位置的反射式超表面单元，在馈源激励下的反射相位响应；

其中，m＝1,2,3…,N；n＝1,2,3…,N。

优选地，

由两部分相位响应相加构成；

其中，一部分的相位响应

为奇数列全为0°，偶数列全为180°；

另一部分的相位响应

的分布，服从抛物线聚焦原理，其表示为以下的公式(2)：

其中，(x,y)表示每个反射式超表面单元的相对位置，λ表示自由空间中的波长，F为焦距；

焦距F＝12λ。

优选地，第一介质基板是介电常数为2.65的F4B微波高频介质基板

第一金属贴片和第一金属背板的材料为铜；

每个第一金属背板的形状大小，与第一介质基板的形状大小相同。

优选地，反射式超表面主体左右两端的正上方，分别设置有第二馈源和第一馈源；

第二馈源和第一馈源，为左右对称分布。

优选地，第一馈源和第二馈源，均采用贴片天线；

该贴片天线，包括从上到下依次设置的第二金属贴片、第二介质基板和第二金属背板，为三层结构；

第二介质基板的整个底面，覆盖设置有第二金属背板；

第二介质基板的顶面中心位置，设置有长方形的第二金属贴片，该第二金属贴片作为辐射金属片；

第二介质基板的顶面前端中部，设置有纵向分布的微带线；

微带线的后端，与第二金属贴片的前侧中间位置相连接；

第二介质基板的顶面，在微带线的左右两边，分别设置有第一圆形通孔和第二圆形通孔；

第一圆形通孔的中心点与微带线)的垂直距离，等于第二圆形通孔的中心点与微带线的垂直距离；

第一圆形通孔和第二圆形通孔，分别用于连接一个SMA接头。

优选地，第一馈源和第二馈源的位置，需要满足以下的条件，具体如下：

第一馈源和第二馈源使用点源天线，来激励超表面，则反射式超表面的远场函数应为：

其中，θ和

分别代表俯仰角和方位角，

表示反射式超表面主体的第m行、第n列的反射式超表面单元在馈源激励下，所对应的反射相位响应；l为相邻的反射式超表面单元之间的距离；

其中,m＝1,2,3…,N；n＝1,2,3…,N。

优选地，其中，

包含两部分，一部分是每个反射式超表面单元本身的反射相位，另一部分是由馈源和超表面单元间的距离产生的相位差；

通过给定

的取值，反射式超表面的方向性函数应为：

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面，其设计科学，能够将入射方向不同的电磁波束，经同一反射式超表面进行反射，产生了相同方向的反射波束，验证了其对电磁波的灵活调控，具有重大的实践意义。

通过应用本发明，本发明在构成MIMO系统后，能够让MIMO系统中每个信道的信号较强，克服了现有的毫米波MIMO系统存在的部分信道信号较弱的问题，具有重大的实践意义。

此外，通过应用本发明，可以有效降低MIMO系统的损耗，提升MIMO系统中的电磁波增益。

另外，通过应用本发明，有利于降低MIMO系统的整体尺寸，以及降低产生大功率的电磁波束所需要的硬件成本。

附图说明

图1a为现有的由一般透镜构成的2×2MIMO系统的信道分布示意图；

图1b为本发明提供的一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面，具有的信道分布示意图；

图2a是一比特超表面的反射相位响应分布图，即相邻两个单元的反射相位差为180°；

图2b是抛物线聚焦原理计算出的反射相位响应分布图；

图2c是图2a和图2b相加得到的反射相位响应分布图，即为本发明提供的反射式超表面的反射相位响应分布图；

图3是本发明提供的一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面和两个馈源的整体位置分布示意图，该图为俯视图；

图4a是馈源的位置和方向性的关系图；

图4b是一个馈源激励时理论模型的方向图；

图5为本发明采用的单个馈源贴片天线的结构示意图；

图6是本发明采用的单个馈源贴片天线在26GHz的二维方向图；

图7是本发明提供的一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面中，每个反射式超表面单元的结构示意图；

图8是本发明提供的一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面中，每个反射式超表面单元在26GHz的反射相位响应仿真结果图；

图9是本发明提供的一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面的结构示意图；

图10是第一馈源单独激励时整体模型在26GHz的方向图；

图11是第二馈源单独激励时整体模型在26GHz的方向图；

图12是两个馈源同时激励时整体模型在26GHz的方向图；

图13为第一馈源和本发明提供的反射式超表面构成的实测模型，在22GHz至30GHz归一化的仿真和实测|S11|对比示意图；

图14为第一馈源和本发明提供的反射式超表面构成的实测模型，在26GHz归一化的仿真和实测E面方向图对比示意图；

图15为第一馈源和本发明提供的反射式超表面构成的实测模型，在26GHz归一化的仿真和实测H面方向图对比示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1b至图15，本发明提供了一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面，包括正方形的反射式超表面主体100；

反射式超表面主体100，包括N×N个反射式超表面单元200；N为大于2的整数；例如，优选为：15×15个反射式超表面单元200(共225个，即每行有15个，每列也有15个)；

其中，参见图7所示，每个反射式超表面单元200，包括从上到下依次设置的第一金属贴片201、第一介质基板202和第一金属背板，为三层结构；

第一金属贴片201，为正方形的金属贴片；

第一介质基板202的顶面，设置有(例如通过印刷的方式)第一金属贴片201；

第一介质基板202的整个底面，覆盖设置有第一金属背板；

其中，对于在反射式超表面主体100不同位置上的每个反射式超表面单元200，其具有的反射相位响应，符合预设的口径相位分布条件。

在本发明中，具体实现上，对于本发明，反射式超表面的反射相位响应分布计算过程如图2a至图2c所示，其中，图2a是一比特超表面的反射相位响应分布图，即相邻两个反射式超表面单元的反射相位差为180°；图2b是抛物线聚焦原理计算出的反射相位响应分布图；图2c是图2a和图2b相加得到的反射相位响应分布图，即为本发明提供的反射式超表面的反射相位响应分布图。

在本发明中，具体实现上，反射式超表面由15×15个反射式超表面单元组成，对于在反射式超表面主体100不同位置上的每个反射式超表面单元200，其预设的口径相位分布条件(具体为其上第一金属贴片201的尺寸)的相位分布，应满足如下公式(1)：

其中，

(即图2C的相位分布)表示反射式超表面主体100在第m(m＝1,2,3…,N)行、第n(n＝1,2,3…,N)列位置的反射式超表面单元200，在馈源激励下的反射相位响应。对于15×15个反射式超表面单元200，N为15；

具体实现上，

由两部分相位响应相加构成；

其中，一部分的相位响应

(即图2A的相位分布)为奇数列全为0°，偶数列全为180°；

另一部分的相位响应

(即图2B的相位分布)的分布，服从抛物线聚焦原理，其表示为以下的公式(2)：

其中，(x,y)表示每个反射式超表面单元200的相对位置，λ表示自由空间中的波长，F为焦距(这里取焦距F＝12λ)。

在本发明中，具体实现上，如图7所示，每个反射式超表面单元的边长尺寸m为12mm。

具体实现上，第一金属贴片201的材料为铜，厚度为0.018mm，其中，第一金属贴片201的边长n，取值范围为：0.1mm≤n≤12mm，图7所示的第一金属贴片201的步长为1mm。

需要说明的是，对于本发明，通过正方形的金属贴片(即第一金属贴片201)的尺寸，来确定金属贴片所在的反射式超表面单元的反射相位响应。

具体实现上，作为中间层的第一介质基板202，为常用微波高频介质基板，例如是介电常数为2.65的F4B微波高频介质基板，厚度h为1.964mm。

具体实现上，第一金属背板的材质为铜，厚度为0.018mm，覆盖整个反射式超表面单元的背面。每个第一金属背板的形状大小，与第一介质基板202的形状大小相同。

需要说明的是，对于本发明，反射式超表面由15×15个反射式超表面单元200组成，每个反射式超表面单元200采用介电常数为2.65的F4B高频板材(F4B不是金属)作为介质基片(即第一介质基片)，介质基片的上层为正方形的金属贴片(即第一金属贴片)，材质为金属铜，介质基片下层为和介质基片尺寸相同大小的铜(即第一金属背板)作接地。

对于本发明，每个反射式超表面单元，均具有反射电磁波的作用。多个反射式超表面单元的第一金属贴片可以为一个整体铜片，即一体成型；多个反射式超表面单元的第一介质基片可以为一个整体介质基片，即一体成型。个反射式超表面单元，具体只是第一金属贴片201)的尺寸不同。其中，通过第一金属贴片201)的尺寸，来确定金属贴片所在的反射式超表面单元的反射相位响应。

在本发明中，具体实现上，参见图3所示，反射式超表面主体100左右两端的正上方，分别设置有第二馈源302和第一馈源301；

第二馈源302和第一馈源301，为左右对称分布。

需要说明的是，对于本发明，第一馈源301和第二馈源302这两个馈源对称放置，用于辐射指向反射式超表面主体100中心位置的电磁波。

对于本发明，反射式超表面包括15×15个尺寸参数各不相同(具体是第一金属贴片201的尺寸参数各不相同，第一介质基板202和第一金属背板的尺寸参数相同)的反射式超表面单元，按照不同位置的反射式超表面单元的反射相位响应，对多个反射式超表面单元进行排列，根据既定功能，选取馈源种类并确定反射式超表面主体100与馈源的距离，从而反射式超表面主体100在两种不同方向的电磁波激励下，分别对反射电磁波的波前按需进行调控，以实现既定的功能。

具体实现上，鉴于每个反射式超表面单元的边长尺寸m为12mm，那么，反射式超表面主体100的整体边长尺寸为12×15mm，等于180mm。

如图9所示，为本发明提供的反射式超表面的结构示意图，反射式超表面主体100的整体边长尺寸p为180mm，共计三层结构。上层金属贴片为15×15个正方形的金属贴片(即第一金属贴片201)，其边长具体取值，根据图2a至图2c所示的反射式超表面的反射相位响应分布图和图8所示的反射式超表面单元在26GHz的反射相位响应仿真结果图确定，材料为铜，厚度为0.018mm；中间层的第一介质基板202为F4B微波高频介质基板，厚度为h＝1.964mm；下层的第一金属背板为铜，厚度为0.018mm，覆盖整个反射式超表面主体100的背面。

具体实现上，参见图3所示，第一馈源301和第二馈源302这两个馈源，均为贴片天线，按既定功能，反射式超表面主体100的中心置于坐标原点(0，0，0)，第一馈源301置于坐标(70mm，0，115mm)处，第二馈源302置于坐标(-70mm，0，115mm)处，从而反射式超表面主体100在两种不同方向的电磁波激励下，分别对反射电磁波的波前按需进行调控，以实现既定的功能。

需要说明的是，将反射式超表面主体100的中心设为坐标原点，建立三维直角坐标系，该三维直角坐标系是三维笛卡尔坐标系，其中，X轴方向，是横向直线方向，Y轴方向为纵向直线方向，Z轴方向为垂直方向；反射式超表面的中心的坐标即为(0mm,0mm,0mm)，反射式超表面主体100置于XOY平面，第一馈源301和第二馈源302这两个馈源，置于XOZ平面，第一馈源301的坐标为(70mm，0，115mm)，第二馈源302的坐标为(-70mm，0，115mm)，第一馈源301和第二馈源302这两个馈源的辐射方向指向超表面的中心(0mm,0mm,0mm)，如图3中的虚线。

既定功能，指的是期望用反射式超表面主体100来实现的功能，是电磁领域一些常用的功能，比远场如波束赋型、远场波束扫描、雷达散射截面缩减等等。

具体实现上，第一馈源301和第二馈源302这两个馈源，馈源距离反射式超表面主体100的垂直距离为F，即反射式超表面的焦距为F，焦距根据反射式超表面的既定功能设置，当超表面对馈源辐射的电磁波进行波前调控，焦距F依据几何光学相位补偿原理确定(例如，焦距F等于12λ，λ表示自由空间中的波长)。馈源根据反射式超表面的既定功能进行选取，当反射式超表面对馈源辐射的电磁波进行波前调控，选取宽波瓣宽度的贴片天线作为馈源。

如图4a所示，为馈源的位置和方向性大小的关系图，通过用MATLAB建立反射式超表面的理论模型，将理论模型置于xoy平面，对位于y＝0平面的不同位置的馈源进行仿真，得到方向性和馈源位置的关系，确定方向性最大时馈源的两个最优位置分别为(6，0，10)和(-6，0，10)。

如图4b所示，为馈源置于(6，0，10)理论模型的方向图，由于反射式超表面的理论模型放置于xoy平面，可以看出理论模型的方向图的主要辐射方向垂直于理论模型。

具体实现上，下面详细说明馈源(第一馈源301和第二馈源302)的位置如何确定，即第一馈源301和第二馈源302的位置，需要满足以下的条件，具体如下：

使用点源天线作为馈源(即作为第一馈源301和第二馈源302)，来激励超表面，则反射式超表面的远场函数应为：

其中，θ和

分别代表俯仰角和方位角，

表示反射式超表面主体100的第m行、第n列的反射式超表面单元200在馈源激励下，所对应的反射相位响应；l为相邻的反射式超表面单元200之间的距离；

其中，

包含两部分，一部分是每个反射式超表面单元200本身的反射相位，另一部分是由馈源和超表面单元间的距离产生的相位差；通过给定

的取值，得到既定的反射式超表面方向图，反射式超表面的方向性函数应为：

对于本发明，具体实现上，通过用MATLAB建立理论模型，将理论模型置于xoy平面，对位于y＝0平面的不同位置的馈源进行仿真，得到方向性和馈源位置的关系，确定方向性最大时馈源的两个最优位置(即是馈源的位置)，将馈源置于最优位置，如图4a所示，馈源发射出的电磁波经过反射式超表面反射后，具有最大增益。

如图5所示，为作为馈源(第一馈源301或者第二馈源302)贴片天线的仿真模型图。

参见图5所示，第一馈源301和第二馈源302，作为馈源，均采用贴片天线；

该贴片天线，包括从上到下依次设置的第二金属贴片401、第二介质基板402和第二金属背板，为三层结构；

第二介质基板402的整个底面，覆盖设置有第二金属背板；

第二介质基板402的顶面中心位置，设置有(例如通过印刷的方式)长方形的第二金属贴片401，该第二金属贴片401作为辐射金属片；

第二介质基板402的顶面前端中部，设置有(例如通过印刷的方式)纵向分布的微带线403；

微带线403的后端，与第二金属贴片401的前侧中间位置相连接；

第二介质基板402的顶面，在微带线403的左右两边，分别设置有第一圆形通孔404和第二圆形通孔405；

第一圆形通孔404的中心点与微带线403的垂直距离，等于第二圆形通孔405的中心点与微带线403的垂直距离。

具体实现上，第一圆形通孔404和第二圆形通孔405，分别用于连接一个SMA接头(共计两个SMA接头)。

需要说明的是，SMA接头用于为天线(即馈源贴片天线8)提供激励。SMA接头的名称全称是Sub Miniature version A，是一种典型的高频连接器。由于SMA接头具有尺寸小、可靠性高、频带宽、性能优、寿命长等特点，所以适用于微波设备和数字通信系统的射频回路中连接射频电缆或微带线。

具体实现上，第一圆形通孔404和第二圆形通孔405的直径d为2mm，用于连接SMA转接头。

需要说明的是，贴片天线，采用微带线403馈电，第一圆形通孔404和第二圆形通孔405用于连接SMA转接头，将天线的中心频率调整在26GHz左右。

具体实现上，上层的第二金属贴片401为矩形的金属贴片，材料为铜，厚度为0.018mm，其中第二金属贴片401的长度a为4.5mm，宽度b为3.4mm；

具体实现上，作为中间层的第二介质基板402，为睿龙微波高频介质基板，厚度为0.762mm；

具体实现上，下层的第二金属背板的材质为铜，厚度为0.018mm，覆盖整个单元背面。

需要说明的是，对于本发明，作为第一馈源301和第二馈源302的贴片天线，形状为正方形，边长尺寸l为14mm。

具体实现上，第二金属贴片401和微带线403的材质为铜，贴片天线的辐射体一般选取金属为铜，因为价格便宜，辐射特性较好。

如图6所示，是作为馈源的贴片天线在26GHz的二维方向图，天线的最大增益为7.17dBi，另外从图中可以看出，贴片天线具有较宽的波瓣宽度，适合用作反射式超表面的馈源。本发明的设计只适用于两个采用贴片天线的馈源，安装位置和角度如图3所示。

如图8所示，为本发明提供的反射式超表面单元在26GHz的反射相位响应仿真结果图，图8是反射式超表面单元在26GHz的反射相位响应与单元边长n关系的仿真结果图。

参见图8，本发明提供的反射式超表面单元，随上层正方形金属贴片(即第一金属贴片)的边长尺寸变化而变化，其具有的反射相位响应涵盖范围为-180°至180°。根据图2c的相位分布，确定反射式超表面对应位置的反射式超表面单元的反射相位响应，进而确定对应位置单元的边长n(反射式超表面单元只有上层正方形金属贴片边长n不同，其余中间层介质板和下层金属铜的材料尺寸全相同)。每个反射式超表面单元的反射相位响应不同，对电磁波的调控能力也不同，整个反射式超表面在图2C的反射相位响应分布下，可以实现对不同方向的电磁波进行波束转向和波束赋形的作用。

如图10所示，是第一馈源301在单独激励时，整体模型在26GHz的方向图，可以看出，作为馈源的贴片天线辐射的电磁波，在经本发明的反射式超表面反射后，整体的辐射方向垂直于反射式超表面，且实现了波束赋型，最大增益为11.8dBi。

如图11所示，是第二馈源302在单独激励时，整体模型在26GHz的方向图，可以看出，作为馈源的贴片天线辐射的电磁波，在经本发明提供的反射式超表面反射后，整体的辐射方向垂直于反射式超表面，且实现了波束赋型，最大增益为11.8dBi。

如图10和图11所示，本发明提供的反射式超表面，在第一馈源301和第二馈源302辐射的两种不同方向的电磁波激励下，分别对反射电磁波的波前按需进行调控，实现了入射方向不同的电磁波束经同一个反射式超表面进行反射，产生了相同方向的反射波束。当第一馈源301和第二馈源302相互独立时，和本发明提供的反射式超表面整体，构成了如图3所示的MIMO天线。

如图12所示，为第一馈源301和第二馈源302同时激励时，整体模型在26GHz的方向图，可以看出，第一馈源301和第二馈源302辐射的电磁波，在经本发明提供的反射式超表面反射后，垂直于反射式超表面，且实现了波束赋型，最大增益为14.9dBi，与单个馈源的反射结果相比，增大了3dBi，表明整体的辐射方向进行了叠加，实现了空间功率的合成。

为了进一步验证本发明提供的用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面的可行性，采用PCB工艺对反射式超表面进行了加工，并在暗室对第一馈源301的结果进行了测试验证。

基于上述本发明提供的反射式超表面，参见图3所示，本发明还提供了一种反射式超表面应用的电磁波增强模型，包括：图9所示的反射式超表面主体100，以及采用贴片天线的第一馈源301和第二馈源302；

第二馈源302和第一馈源301，分别位于反射式超表面主体100的左右两端正上方(例如为左右两端中间位置的正上方)；

其中，该电磁波增强模型包括两个SMA转接头，两个SMA转接头分别连接第一馈源301和第二馈源302，用于给采用贴片天线的第一馈源301和第二馈源302供电；

具体实现上，第一馈源301和第二馈源302，可以通过两个位于反射式超表面主体100左右两边的支架，来支撑。

第一馈源301和第二馈源302辐射的电磁波，指向反射式超表面的中心，电磁波经反射式超表面发射后，从反射式超表面的中心射出，并且垂直于反射式超表面所在的平面。

需要说明的是，参见图3所示，采用贴片天线的第一馈源301和第二馈源302，经过反射式超表面主体100反射后，实现了波束转向和波束赋形的功能。若第一馈源301和第二馈源302为单独激励，则采用贴片天线的馈源和反射式超表面共同构成MIMO天线，可以应用于MIMO系统中；如果采用贴片天线的两个馈源同时激励，则第一馈源301和第二馈源302辐射的电磁波在经过反射式超表面反射后，在空间中叠加，实现了空间功率合成。

如图13所示，为第一馈源和本发明提供的反射式超表面构成的实测模型，在22GHz至30GHz归一化的仿真和实测|S11|对比，由于测试环境影响，误差在可允许的范围之内，仿真和测试结果均在26GHz处谐振，且曲线基本吻合。

如图14所示，为第一馈源和本发明提供的反射式超表面构成的实测模型，在26GHz归一化的仿真和实测E面方向图对比；如图15所示，为第一馈源和本发明提供的反射式超表面构成的实测模型，在26GHz归一化的仿真和实测H面方向图对比；测试结果和仿真结果非常吻合，结果证明了所有仿真的有效性，证明本发明提供的一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面的有效性。

从图14可以看出，关于单个馈源和反射式超表面构成的电磁波增强模型的仿真与测试的差值，在允许的误差范围内。

在本发明中，参见图1a、图1b所示，由本发明的反射式超表面构成的2×2MIMO系统中，每个信道的信号都很强，而现有的、由一般透镜构成的2×2MIMO系统有两条信号较弱的信道；且馈源辐射的电磁波在经本发明的反射式超表面反射后，实现了波束转向和波束赋形，增益由7.17dBi增大到11.8dBi。

基于以上技术方案可知，通过应用本发明，本发明首次实现了将入射方向不同的电磁波束，经同一反射式超表面进行反射，产生了相同方向的反射波束，验证了其对电磁波的灵活调控。

此外，本发明还提供了一种用于MIMO和空间功率合成的反射式超表面的设计方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据既定的一比特超表面的发射相位响应(即相邻两个单元的反射相位差为180°)和抛物线聚焦原理，给出整个反射式超表面口径的反射相位分布，并对相位分布进行归一化；

步骤S2，提取归一化后反射式超表面口径的反射相位分布，用MATLAB建立理论模型，验证MIMO和空间功率合成；

步骤S3，用CST MWS电磁仿真软件，设计反射式超表面单元，确定各反射相位响应单元的尺寸参数；

步骤S4，按照归一化后的超表面口径的反射相位分布，选取并排布对应尺寸的超表面单元结构，获得反射式超表面的整体结构，建立仿真模型；

步骤S5，根据既定功能，选取馈源类型以及馈源至反射式超表面的距离，将两个馈源(即第一馈源301和第二馈源302)对称放置，验证MIMO和空间功率合成。

具体实现上，步骤S1，具体如下：

首先，假设反射式超表面由15×15个(即N为15)尺寸参数各不相同的超表面单元组成，其口径的相位分布应为：

其中，

表示反射式超表面在第m(m＝1,2,3…15)行、第n(n＝1,2,3…15)列的反射式超表面单元，在馈源激励下的反射相位响应，其由两部分相位响应相加构成，其中一部分相位响应

为奇数列全为180°，偶数列全为0°；另一部分相位响应

的分布，服从抛物线聚焦原理，其表示为：

其中，(x,y)表示每个超表面单元的相对位置，λ表示自由空间中的波长，F为焦距。

具体实现上，使用点源天线作为馈源激励反射式超表面，则反射式超表面的远场函数应为：

其中，θ和

分别代表俯仰角和方位角，

表示反射式超表面的第m行、第n列的单元在馈源激励下所对应的反射相位响应；l为相邻反射式超表面单元之间的距离；

包含两部分，一部分是每个反射式超表面单元本身的反射相位，另一部分是由馈源和反射式超表面单元间的距离产生的相位差；通过给定

的取值，得到既定的超表面方向图，超表面的方向性函数应为：

具体实现上，步骤S2，具体如下：

通过用MATLAB建立理论模型，将理论模型置于xoy平面，对位于y＝0平面的不同位置的馈源进行仿真，得到方向性和馈源位置的关系，确定方向性最大时馈源的两个最优位置，将两个馈源分别置于两个最优位置，当两个馈源各自激励时，用以验证MIMO，当两个馈源一同激励时，用以验证空间功率合成。

基于以上技术方案可知，对于本发明提供的反射式超表面，通过该反射式超表面，能够对馈源辐射的电磁波进行波前调控，实现波束转向、波束赋型的功能，使得多个馈源(例如多个馈源贴片天线)可以通过共用单口面(即本发明提供的反射式超表面)，实现毫米波MIMO和空间功率合成。

对于本发明提供的反射式超表面，其是应用于MIMO和空间功率合成的反射式超表面，是由许多反射相位响应不同的超表面单元组成。在既定的入射电磁波激励下，超表面可以对电磁波进行独立的调控。由于其特性，所述的反射式超表面已被用来对不同方向的电磁波进行灵活调控，可以高效地应用于MIMO和空间功率合成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、设计科学：本发明的反射式超表面，采用尺寸不同的正方形金属贴片作为反射式超表面单元，采用贴片天线作为馈源，设计科学，方便快捷。

2、结构合理，成本低廉：本发明精度要求不高，可采用PCB工艺进行加工，加工难度低，成本低廉。

3、剖面低：本发明的反射式超表面是单层结构，剖面低，易于集成，应用场景广泛。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面，其设计科学，能够将入射方向不同的电磁波束，经同一反射式超表面进行反射，产生了相同方向的反射波束，验证了其对电磁波的灵活调控，具有重大的实践意义。

通过应用本发明，本发明在构成MIMO系统后，能够让MIMO系统中每个信道的信号较强，克服了现有的毫米波MIMO系统存在的部分信道信号较弱的问题，具有重大的实践意义。

此外，通过应用本发明，可以有效降低MIMO系统的损耗，提升MIMO系统中的电磁波增益。

另外，通过应用本发明，有利于降低MIMO系统的整体尺寸，以及降低产生大功率的电磁波束所需要的硬件成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于毫米波MIMO和空间功率合成的反射式超表面，其特征在于，包括正方形的反射式超表面主体(100)；

反射式超表面主体(100)，包括N×N个反射式超表面单元(200)；N为大于2的整数；

其中，每个反射式超表面单元(200)，包括从上到下依次设置的第一金属贴片(201)、第一介质基板(202)和第一金属背板，为三层结构；

第一金属贴片(201)，为正方形的金属贴片；

第一介质基板(202)的顶面，设置有第一金属贴片(201)；

第一介质基板(202)的整个底面，覆盖设置有第一金属背板；

其中，对于在反射式超表面主体(100)不同位置上的每个反射式超表面单元(200)，其具有的反射相位响应，符合预设的口径相位分布条件。

2.如权利要求1所述的反射式超表面，其特征在于，反射式超表面主体(100)，包括15×15个反射式超表面单元(200)。

3.如权利要求1所述的反射式超表面，其特征在于，对于在反射式超表面主体(100)不同位置上的每个反射式超表面单元(200)，其预设的口径相位分布条件，即第一金属贴片(201)的尺寸对应的相位分布，应满足如下公式(1)：

其中，

表示反射式超表面主体(100)在第m行、第n列位置的反射式超表面单元(200)，在馈源激励下的反射相位响应；

其中，m＝1,2,3…,N；n＝1,2,3…,N。

4.如权利要求3所述的反射式超表面，其特征在于，

由两部分相位响应相加构成；

其中，一部分的相位响应

为奇数列全为0°，偶数列全为180°；

另一部分的相位响应

的分布，服从抛物线聚焦原理，其表示为以下的公式(2)：

其中，(x,y)表示每个反射式超表面单元(200)的相对位置，λ表示自由空间中的波长，F为焦距；

焦距F＝12λ。

5.如权利要求1所述的反射式超表面，其特征在于，第一介质基板(202)是介电常数为2.65的F4B微波高频介质基板

第一金属贴片(201)和第一金属背板的材料为铜；

每个第一金属背板的形状大小，与第一介质基板(202)的形状大小相同。

6.如权利要求1所述的反射式超表面，其特征在于，反射式超表面主体(100)左右两端的正上方，分别设置有第二馈源(302)和第一馈源(301)；

第二馈源(302)和第一馈源(301)，为左右对称分布。

7.如权利要求6所述的反射式超表面，其特征在于，第一馈源(301)和第二馈源(302)，均采用贴片天线；

该贴片天线，包括从上到下依次设置的第二金属贴片(401)、第二介质基板(402)和第二金属背板，为三层结构；

第二介质基板(402)的整个底面，覆盖设置有第二金属背板；

第二介质基板(402)的顶面中心位置，设置有长方形的第二金属贴片(401)，该第二金属贴片(401)作为辐射金属片；

第二介质基板(402)的顶面前端中部，设置有纵向分布的微带线(403)；

微带线(403)的后端，与第二金属贴片(401)的前侧中间位置相连接；

第二介质基板(402)的顶面，在微带线(403)的左右两边，分别设置有第一圆形通孔(404)和第二圆形通孔(405)；

第一圆形通孔(404)的中心点与微带线(403)的垂直距离，等于第二圆形通孔(405)的中心点与微带线(403)的垂直距离；

第一圆形通孔(404)和第二圆形通孔(405)，分别用于连接一个SMA接头。

8.如权利要求6所述的反射式超表面，其特征在于，第一馈源(301)和第二馈源(302)的位置，需要满足以下的条件，具体如下：

第一馈源(301)和第二馈源(302)使用点源天线，来激励超表面，则反射式超表面的远场函数应为：

公式(3)；

其中，θ和

分别代表俯仰角和方位角，

表示反射式超表面主体(100)的第m行、第n列的反射式超表面单元(200)在馈源激励下，所对应的反射相位响应；l为相邻的反射式超表面单元(200)之间的距离；

其中,m＝1,2,3…,N；n＝1,2,3…,N。

9.如权利要求8所述的反射式超表面，其特征在于，其中，

包含两部分，一部分是每个反射式超表面单元(200)本身的反射相位，另一部分是由馈源和超表面单元间的距离产生的相位差；

通过给定

的取值，反射式超表面的方向性函数应为：

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