CN113506995A - 一种适用于平面波的单波束调控超表面 - Google Patents

一种适用于平面波的单波束调控超表面 Download PDF

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龙小华
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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

本发明公开了一种适用于平面波的单波束调控超表面，超表面本体包括一层介质层，在介质层上下印刷的辐射金属层；超表面单元根据单元状态以及是否加载延迟线共分为四种类型，分别为状态0、状态1，以及分别在状态0、状态1上加载相位延迟线来引入90度预相位，形成加载延迟线的状态0、加载延迟线的状态1；状态0和状态1的反射相位存在180度相位差。本发明的超表面具有结构简单、低剖面、旋转对称和可重构等优点。当平面波垂直入射时，反射超表面将波束聚焦到仰角为(θ,
Figure DDA0003197855820000011
)的方向。在工作频带内，超表面有良好的单波束偏转能力，主波束指向精准且副瓣电平较低。

Description

一种适用于平面波的单波束调控超表面
技术领域
本发明涉及一种适用于平面波入射的单波束调控超表面，属于天线技术领域。
背景技术
反射超表面由大量低成本无源反射单元组成，每个反射单元能够独立地诱导入射信号的振幅和/或相位发生变化。通过对入射信号相位的补偿，反射超表面可控制反射方向，重新配置无线传播环境，进而提高无线通信网络的性能。相比于目前流行的大规模多输入多输出技术，反射超表面具有低硬件成本、低传输损耗、更适用于毫米波频段等优点。
精确的相位补偿难以实现，通常使用基于1比特或2比特编码单元的离散相位补偿来控制辐射波束。大多数1比特单波束反射超表面都是基于喇叭天线模拟球面入射波。基本上只有2比特或多比特的超表面能在平面波入射下，产生单波束反射。若在1比特单元中引入预相位，也能实现适用于平面波入射的单波束反射超表面。预相位由移相结构实现，如堆叠介质板、加载延迟线等。堆叠介质板使得超表面整体厚度增大一倍，还可能产生遮挡效应。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于平面波的单波束调控超表面，应用于微波毫米波频段，可以实现反射波束控制。
技术方案：一种适用于平面波的单波束调控超表面，超表面本体包括一层介质层，在介质层上下印刷的辐射金属层；超表面单元根据单元状态以及是否加载延迟线共分为四种类型，分别为状态0、状态1，以及分别在状态0、状态1上加载相位延迟线来引入90度预相位，形成加载延迟线的状态0、加载延迟线的状态1；状态0和状态1的反射相位存在180度相位差。
进一步的，在超表面单元上加载开关元件及直流偏置电路，实现1比特动态调控。
进一步的，超表面的预相位的分布是固定的且是一种随机分布。
进一步的，四种类型的超表面单元的反射系数幅度均接近0dB。
进一步的，状态0的超表面单元的辐射金属层为由矩阵排列的四个方形贴片构成；状态1的超表面单元的辐射金属层为由矩阵排列的四个方形贴片，以及在内侧两两连接方形贴片的四个小方形贴片构成。
进一步的，相位延迟线为连接在方形贴片外围的微带线。
进一步的，超表面单元的尺寸及单元间隔约为中心频率对应波长的二分之一。
有益效果：与现有波束调控超表面相比，本发明提供的适用于平面波的单波束调控超表面，具有如下优点：
1)单元为1比特单元，能实现波束调控，同时保持了平面结构、易于集成、加工简单的优点。
2)通过相位延迟线引入90度预相位，形成四种单元相位状态，由此实现了平面波入射下的单波束反射。
3)适用于较小规模的超表面，例如20×20的阵列，其具有很好的单波束调控能力。波束指向精确，副瓣电平很低。在±30°偏转角内，副瓣电平低于-10dB。
附图说明
图1为本发明用于平面波的单波束调控超表面的结构示意图；
图2为本发明四种类型的超表面单元的结构示意图；
图3为本发明实施例超表面预相位分布图；
图4为本发明实施例超表面状态分布图；
图5为图4对应的超表面示意图；
图6为本发明实施例的超表面在39GHz平面波垂直入射时的远场方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种适用于平面波的单波束调控超表面，超表面本体由一层介质层、介质层上下印刷的辐射金属层以及金属地构成。超表面单元根据单元状态以及是否加载延迟线共分为四种类型，分别为状态0、状态1，以及分别在状态0、状态1上加载相位延迟线来引入90度预相位，形成加载延迟线的状态0、加载延迟线的状态1。其中，状态0和状态1在工作频带内的反射相位存在180度相位差，四种类型的超表面单元的反射系数幅度均接近0dB。加载延迟线产生90度相位延迟，引入预相位，打破阵因子的对称性，实现平面波入射的单波束反射。
超表面的预相位的分布是固定的且是一种随机分布，目的在于抑制副瓣电平和对称波束。在超表面单元上加载开关元件及相应的直流偏置电路，实现1比特动态调控。开关元件如PIN管，若在状态1的连通处加载开关元件，则可以实现1比特可编程控制；开关导通时，形成状态1；开关断开时，形成状态0。
如图1所示，本实施例中，超表面为20×20阵列，其上有400个单元，采用单层印刷电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)工艺加工。如图2的(a)所示，状态0的超表面单元的辐射金属层为由矩阵排列的四个方形贴片构成，也可视为宽度为l2的方形贴片挖去宽度为l3的十字形缝隙，其矩形金属地的长度和宽度均为l1，金属地保证绝大部分入射波能量被反射。如图2的(b)所示，状态1的超表面单元为在状态0的基础上，于十字形缝隙中引入四个尺寸为l4×l3的连通枝节，即形成状态1。如图2的(c)和(d)所示，相位延迟线为连接在方形贴片外围的微带线，微带线的宽度为w。四种单元的介质板、方形贴片等的参数是相同的，具有可重构特性。超表面单元的尺寸及单元间隔约为中心频率对应波长的二分之一，因而超表面阵列的尺寸与工作频段有关。
每处单元的状态及预相位不一定相同，即预相位分布为一个固定的随机分布，以形成单波束反射。预相位是固定的，单元状态是可变的，对于给定的入射方向，通过切换单元状态，可将入射波反射至不同的方向。在给定入射方向、反射方向以及预相位分别情况后，根据入射角度、期望的反射角度以及阵列综合原理反推出各单元所需的相位，再进行1比特量化，得出各单元对应的状态。
本实施中，对于20×20阵列，如图3所示，其中深色表示该处单元未加载延迟线，浅色表示该单元加载延迟线。预相位分布是一种随机分布，以打破阵因子对称性，形成单波束反射。
对于本实施例的超表面，预相位的分布是固定的，单元状态在状态0与状态1之间切换。对于某一特定方向的入射波，合理设置各个单元状态，可将反射波束聚焦到期望的方向。图4的(a)至(d)为使垂直入射平面波，偏转至
Figure BDA0003197855800000031
θ＝-15°、15°、30°、45°的单元状态分布。深色表示该处单元为状态1；浅色表示该处单元为状态0；对应的四个超表面如图5的(a)至(d)所示。
采用电磁仿真软件对超表面单元尺寸进行优化，得到超表面单元尺寸参数如表1所示。在超表面阵列中，单元间隔为4mm。
表1
Figure BDA0003197855800000032
Figure BDA0003197855800000041
测试对象为利用PCB技术实现的工作在39GHz左右的单波束调控超表面，介质板为0.787mm的RogersRT5880，介质板两侧印刷铜层厚度为0.017mm。整个超表面尺寸为88×88×0.821mm3。为了便于安装超表面，介质板边缘有直径为2mm的钻孔。在测试时，为了实现平面波入射，将超表面至于发射喇叭的远场。图6为本发明在39GHz处的仿真和实测方向图；根据实测，单波束超表面具有很好的单波束偏转能力，主波束指向精确。
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 (7)

1.一种适用于平面波的单波束调控超表面，其特征在于，超表面本体包括一层介质层，在介质层上下印刷的辐射金属层；超表面单元根据单元状态以及是否加载延迟线共分为四种类型，分别为状态0、状态1，以及分别在状态0、状态1上加载相位延迟线来引入90度预相位，形成加载延迟线的状态0、加载延迟线的状态1；状态0和状态1的反射相位存在180度相位差。
2.根据权利要求1所述的适用于平面波的单波束调控超表面，其特征在于，在超表面单元上加载开关元件及直流偏置电路，实现1比特动态调控。
3.根据权利要求1所述的适用于平面波的单波束调控超表面，其特征在于，超表面的预相位的分布是固定的且是一种随机分布。
4.根据权利要求1所述的适用于平面波的单波束调控超表面，其特征在于，四种类型的超表面单元的反射系数幅度均接近0dB。
5.根据权利要求1-4任一所述的适用于平面波的单波束调控超表面，其特征在于，状态0的超表面单元的辐射金属层为由矩阵排列的四个方形贴片构成；状态1的超表面单元的辐射金属层为由矩阵排列的四个方形贴片，以及在内侧两两连接方形贴片的四个小方形贴片构成。
6.根据权利要求5所述的适用于平面波的单波束调控超表面，其特征在于，相位延迟线为连接在方形贴片外围的微带线。
7.根据权利要求5所述的适用于平面波的单波束调控超表面，其特征在于，超表面单元的尺寸及单元间隔约为中心频率对应波长的二分之一。
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