CN113629403B - 一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，智能超表面包括：n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，其中，该子阵由同一信号控制，并且各个子阵由控制电路提供控制信号。本发明通过引入变容二极管作为电容可调器件，使得入射到本发明的电磁波的反射波的相位实现连续的、大裕度的动态可调范围，且控制方式简单快捷；本发明通过引入低损耗的可调器件，可使其在实现相位连续动态变化时保持较高的能量效率；本发明通过引入大量金属柱隔离单元间的互耦，可以在大角度斜入射下仍然保持稳定的幅度和相位响应，相较于传统设计具有更好的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及可重构智能超表面技术领域，特别是涉及一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面。
背景技术
可重构智能超表面，由于其在控制传播环境方面的巨大潜力，从而提高了无线通信网络的性能，在无线领域得到了广泛的关注。首先，有实验结果表明，由于空间的色散特性，传统的可重构智能超表面相位响应对电磁波入射角很敏感，因此传统的可重构智能超表面设计只能工作在垂直入射及很小的入射角范围内，这在较高比特编码的可重构智能超表面中体现的尤为明显，因其对相位误差有着更低容忍度以及更宽的相移范围，因此对较高比特编码的可重构智能超表面的相位响应的精确控制也尤为重要。其次，传统的加载了PIN管的相移可重构智能超表面在较高比特编码设计案例中需要更多的有源器件，这使得将其集成到一个有限大小的单元结构中变得更加困难，并且这也不符合低成本大规模的工业生产的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，用来解决背景技术中提及的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，所述智能超表面包括：n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，其中，该子阵由同一信号控制，并且各个子阵由控制电路提供控制信号。
进一步的，所述基本单元从上到下依次包括：
第一层为由变容二极管串接两个金属矩形片构成，其中，所述的两个金属矩形片平行设置，在这两个金属矩形片之间还设置两个与所述金属矩形片平行的窄金属条，并且该窄金属条与各自靠近的金属矩形片相连接，所述的两个窄金属条通过所述变容二极管串接；
第二层为介质基板；
第三层为金属层；
其中，在所述第一层与所述第三层之间还设置有成排的金属孔，所述的两个窄金属条用作直流偏置线，为所述变容二极管提供直流电压。
进一步的，所述金属孔设置有两排，且分别设置在所述基本单元的两侧，其中的一个金属孔设置在一个金属矩形片的长边一侧，其中的另外一个金属孔设置在另外一个金属矩形片的长边一侧。
进一步的，所述变容二极管在反向馈电0～30V电压变化时产生0.6～2.6pF的电容变化。
进一步的，在不同的控制电压下，在给定的频点上，电磁波后向反射相位变化范围超过320°
进一步的，所述不同的控制电压具体包括：0V，3V，4V，4.6V，5.3V，6.0V，8V，20V。
本发明的有益效果是：
1、本发明原理简单，只需改变变容二极管上的反向偏置电压，就可以对入射到本发明上的电磁波的反射波进行实时、连续、动态的调控；本发明并且不仅可以用于3比特编码智能超表面的应用，也可以用于1/2比特编码的智能超表面。
2、本发明利用将多个基本单元组成基本子阵，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元反射系数所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；相应的，与现有技术相比，本发明可以获得高效率、高比特编码的相位调控。
3、与现有技术相比，本发明不仅可以工作在垂直入射的情形下，还可以在±60度范围内的斜入射电磁波照射下获得稳定的幅度相位电磁响应。
附图说明
图1为实施例1中提供的可重构智能超表面的结构示意图；
图2为实施例1中提供的可重构智能超表面的主视图；
图3为实施例1中提供的可重构智能超表面的侧视图；
图4为实施例1中提供的可重构智能超表面的尺寸标记示意图；
图5为实施例1中提供的可重构智能超表面在3比特编码情况下的各个状态(8个)的幅度随频率的变化曲线图；
图6为实施例1中提供的可重构智能超表面在3比特编码情况下的各个状态(8个)的相位随频率的变化曲线图；
图7为实施例1中提供的可重构智能超表面的最大可调相位变化范围随频率的变化曲线图；
图8为实施例1中提供的可重构智能超表面在3比特编码情况下，在不同斜入射角时的幅度随频率的变化曲线图；
图9为实施例1中提供的可重构智能超表面在3比特编码情况下，在不同斜入射角时的相位随频率的变化曲线图；
图10为实施例1中提供的可重构智能超表面以及传统的可重构智能超表面在3比特编码情况下，在不同斜入射角时的相位随入射角度的变化曲线图；
附图中：
1-变容二极管、2-金属矩形片、3-介质基板、4-金属层、5-金属孔、6-窄金属条。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图7，本实施例提供一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，具体包括：n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，其中，该子阵由同一信号控制，并且各个子阵由控制电路提供控制信号。
具体的说，在本实施例中，该基本单元从上到下依次包括：
第一层为由变容二极管1串接两个金属矩形片2构成；
第二层为介质基板3；
第三层为金属层4；
其中，在第一层与第三层之间还设置有成排的金属孔5。
具体的说，在本实施例中，变容二极管1在反向馈电0～30V电压变化时产生0.6～2.6pF的电容变化。
具体的说，在本实施例中，在不同的控制电压下，在给定的频点上，电磁波后向反射相位变化范围超过320°。
具体的说，在本实施例中，不同的控制电压具体包括：0V，3V，4V，4.6V，5.3V，6.0V，8V，20V。
具体的说，采用标准印刷电路板(PCB)技术可以很容易地制备本实施例中提供的金属-介质-金属三层夹芯结构，更具体的说：
在3.3mm厚的F4B介质板(εr＝2.65,tanδ＝0.001)上钻取直径为0.4mm的成排金属孔4；
表面铜层厚度为0.035μm，主要由两个相同的金属矩形片2构成；
底层为涂覆0.035μm厚的完整铜层作为地面层，以此实现反射型可重构智能超表面；
其中，变容二极管1用于在最上层连接两个金属矩形片2，其被用作状态可调的相位调谐器件，当反向偏置时，变容二极管产生所需的结电容会随着电压变化而变化，这一特性使变容二极管1可以调谐反射电磁波谐振频率或在特定频率控制电磁波的相移；两个金属矩形片2平行设置，在这两个金属矩形片2之间还设置两个与金属矩形片2平行的窄金属条6，并且该窄金属条6与各自靠近的金属矩形片2相连接，具体是通过金属矩形片2突出的金属块连接，然后这两个窄金属条6通过变容二极管1串接，并且这两条窄金属条6被用作直流偏置线，以提供变容二极管1在给定状态下所需的适当直流电压。
具体的说，如图1-图4所示，在本实施例中基本单元、金属矩形片2、窄金属条6、金属块以及金属孔5的尺寸为：
金属孔的高度H＝3.3mm，基本单元在x轴上的长度Px＝25.4mm，基本单元在y轴上的长度Py＝27.2mm，窄金属条长边的长度L1＝8.8mm，金属块长边的长度L2＝4.2mm，金属矩形片长边的长度L3＝19.9mm，窄金属条短边的长度W1＝1.1mm，金属块短边的长度W2＝0.4mm，金属矩形片短边的长度W3＝6.9mm，金属孔的直径D＝0.4mm，金属孔的间距S＝0.8mm。
本实施例提供的一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面在电磁波正入射下，通过改变变容二极管1上的偏置电压可以改变入射到本实施例上的电磁波的反射波的相位，具体的说：
对于一个N比特编码智能超表面，其初始相位为
则第n个状态的相位为
这表示一个N比特编码智能超表面至少需要满足0～360°×(2N-1)/2N的相位变化范围，并且可以获得间隔为360°/2N的2N个相位状态，更具体的说：
对于一个3比特编码智能超表面，就应该满足0～315°的相位变化范围，并且可以获得间隔为45°的8个相位状态。
对于一个2比特编码智能超表面，就应该满足0～270°的相位变化范围，并且可以获得间隔为90°的4个相位状态。
对于一个1比特编码智能超表面，就应该满足0～180°的相位变化范围，并且可以获得间隔为180°的2个相位状态。
具体的说，一个3比特编码智能超表面也可以用做1/2/3比特编码智能超表面，例如，对于3比特编码的情形，在3.15GHz的正入射下，具有8种编码状态，具体是：0#，1#，2#，…，7#，并且该8种编码状态的幅值和相位分别如图5和图6所示。各编码状态的反射幅值均大于-2db，以此来实现高效的反射相位控制。图7中给出了正入射下编码0#和编码7#之间的相位差，即最大相位差，有该图可见，在3G到3.35GHz之间可获得超过315度的最大移相范围，因此该3比特智能超表面的工作带宽为3G到3.35GHz。
具体的说，为了使本实施例提供的智能超表面在斜入射时获得一定的稳定性，因此，本实施例中设计了两排金属孔5。该金属孔5是在第二层的介质基板3上钻取通孔后金属化后形成，并且本实施例中选用孔径大小为0.4mm，孔距为0.8mm。
图7中还给出了斜入射下的最大相位差，图中显示，当入射角小于60°时，无论入射角为多少，当偏置电压从-30V增加到0V时都可以获得超过315°的相移范围。图8和图9给出了斜入射时的幅度相位响应，0°、30°和60°入射时，8个编码状态的振幅和相位分别如图8和图9所示。
图10给出了本实施例提供的智能超表面在不同斜入射角下的相位，以及传统的智能超表面在不同斜入射角下的相位。可以看到本实施例提供的智能超表面相较于传统的智能超表面在斜入射角变化时具有更高的相位稳定性。
本实施例中还给出了一种具体的测试方式，具体包括：
步骤S1、将发射天线和接收天线放在本实施例提供的可重构智能超表面的法线对称的两侧，且与可重构智能超表面的距离需要超过3m；
步骤S2、给可重构智能超表面的配套的控制电路施加电压源；
步骤S3、发射天线和接收天线分别用射频传输线连接到矢量网络分析仪的1,2端口上；
步骤S4、记录下在不同控制电压下接收到的电磁波的幅度和相位；
步骤S5、将本实施例提供的可重构智能超表面替换为同等尺寸的金属板；
步骤S6、记录下接收到的电磁波的幅度和相位；
步骤S7、以放置金属板时的接收到的电磁波的幅度和相位做为基准，用可重构智能超表面放置时不同电压下时接收到的幅度除以放置金属板时的接收到的电磁波的幅度，就可以得到对应电压下放置本实施例中的可重构智能超表面时接收到的相对幅度，相应的，用放置本实施例中的可重构智能超表面时不同电压下时接收到的相位减去放置金属板时的接收到的电磁波的相位，就可以得到对应电压下放置可重构智能超表面时接收到的相对相位。
综上所述，本发明提出了一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，通过在每个单元中加载变容二极管，该系统能够实现0°～315°的相移范围和间隔为45°的8个编码状态，可同时满足1/2/3比特可重构智能超表面的相位要求。此外，通过在相邻单元之间引入金属过孔，可使本发明不仅可以在正入射条件下工作，还可以工作在大倾斜入射角条件下。本发明的角度不敏感性保证了这8个状态在正入射和斜入射时的相位和幅度响应的稳定。总的来说，本发明所提出的可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面在应用了可重构智能超表面的无线通信网络和下一代无线通信系统的体系结构中具有重要的实际应用潜力。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，其特征在于，所述智能超表面包括：n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，其中，该子阵由同一信号控制，并且各个子阵由控制电路提供控制信号；
所述基本单元从上到下依次包括：
第一层为由变容二极管串接两个金属矩形片构成，其中，所述的两个金属矩形片平行设置，在这两个金属矩形片之间还设置两个与所述金属矩形片平行的窄金属条，并且该窄金属条与各自靠近的金属矩形片相连接，两个窄金属条通过所述变容二极管串接；
第二层为介质基板；
第三层为金属层；
其中，在所述第一层与所述第三层之间还设置有成排的金属孔，所述金属孔分别设置在所述基本单元的两侧，所述的两个窄金属条用作直流偏置线，为所述变容二极管提供直流电压。
2.根据权利要求1所述的一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，其特征在于，其中的一排金属孔设置在一个金属矩形片的长边一侧，其中的另外一排金属孔设置在另外一个金属矩形片的长边一侧。
3.根据权利要求2所述的一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，其特征在于，所述变容二极管在反向馈电0~30V电压变化时产生0.6~2.6pF的电容变化。
4.根据权利要求3所述的一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，其特征在于，在不同的控制电压下，在给定的频点上，电磁波后向反射相位变化范围超过320°。
5.根据权利要求4所述的一种可在正入射和大倾斜入射角下进行1/2/3比特调相的可重构智能超表面，其特征在于，所述不同的控制电压具体包括：0V，3V，4V，4.6V，5.3V，6.0V，8V，20V。
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