CN113764900B - 一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，包括规则排列的多个有源反射元件和多个无源反射元件、以及分别连接有源反射元件和无源反射元件的RIS控制器，其中，RIS控制器用于控制有源反射元件上的入射信号的相位和幅度，以及用于控制无源反射元件上的入射信号的相位；有源反射元件自上而下依次包括有源反射元件层、玻璃基板、薄膜太阳能电池、第一金属背板以及第一控制电路板，第一控制电路板连接RIS控制器；薄膜太阳能电池能够将入射到有源反射元件的光能转换为电能以向第一控制电路板和RIS控制器供电。该混合可重构智能反射表面将太阳能电池与有源反射元件集成，解决了其供电问题，可实现夜间正常工作。

Description

一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面

技术领域

本发明属于材料及通信技术领域，具体涉及一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面。

背景技术

近几十年来，超材料作为一种可以任意控制电磁波传输路径的人造材料成为电磁学领域的研究热点。已经报道了许多基于超材料的新奇样品，例如负折射，完美镜片，隐形斗篷等。然而，超材料通常体积庞大，具有制造复杂，损耗高和分散性强的缺点。作为RIS的前身，超表面在2011年被提出，它可以通过将亚波长散射体设置为二维(2D)模式将其视为平面超材料。与传统的体积大的超材料相比，超表面具有低轮廓，低损耗和易于制造的优点，并且还具有强大的电磁波处理能力。在微波频带中，超表面被广泛用于操纵极化状态，产生涡旋光束，实现高指向性天线和增强吸收。

可重构智能反射表面(reconfigurable intelligent surface，RIS)能够以可编程的方式改变入射电磁波的相位，不需要牺牲系统的传输速率和发射功率，通过被动反射接收信号，重新配置无线信道环境，能够实时高效构建优势主信道，在实现系统更高的频谱和能量效率的同时，获得更大的安全传输速率。同时，可重构智能反射表面因其成本低、重量轻，可以达到提升通信系统的整体性能的目的，因而成为6G无线通信系统的潜在关键技术之一。

现有的文献大部分都是采用纯无源的RIS进行研究。然而，纯无源的RIS存在以下几个问题。首先，采用纯无源RIS，信号经过级联信道，反射链路相比于直接链路来讲，其路径损耗是按乘积的方式叠加，导致其存在双衰落问题。此外，纯无源RIS不仅限制了端到端的信道波束成形增益，也阻碍了RIS获取准确的信道状态信息用于相位控制。而有源RIS可以改变入射信号的相位，也会放大其幅度。有相关论文验证了有源RIS和纯无源RIS相比，纯无源RIS仅仅实现3％的容量增益，而有源RIS能够实现129％的容量增益，克服了双衰落的限制。然而，有源RIS需要额外的电源供电，RIS处也引入了不可忽略的动态噪声。因此，采用混合架构的RIS结合了两者的优势，由无源反射器件和连接有反射式放大器的，按规则排列的部分有源反射器件构成，但是依然需要电源供电。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，可实现混合架构的RIS中的有源反射器件可持续供电，减少成本和降低空间资源的占用。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，包括规则排列的多个有源反射元件和多个无源反射元件、以及分别连接所述有源反射元件和所述无源反射元件的RIS控制器，其中，

所述RIS控制器用于控制所述有源反射元件上的入射信号的相位和幅度，以及用于控制所述无源反射元件上的入射信号的相位；

所述有源反射元件自上而下依次包括有源反射元件层、玻璃基板、薄膜太阳能电池、第一金属背板以及第一控制电路板，所述第一控制电路板连接所述RIS控制器；

所述薄膜太阳能电池能够将入射到所述有源反射元件的光能转换为电能以向所述第一控制电路板和所述RIS控制器供电。

在本发明的一个实施例中，所述有源反射元件层为设置在所述玻璃基板上表面且由透明导电氧化物构成的辐射贴片。

在本发明的一个实施例中，所述透明导电氧化物为铟锡氧化物。

在本发明的一个实施例中，所述薄膜太阳能电池自下而上依次包括第一ZnO层、非晶硅层和第二ZnO层。

在本发明的一个实施例中，所述第一控制电路板包括第一相移电路、反射式放大器、电源供应模块，其中，

所述第一相移电路用于在所述RIS控制器的控制下改变到所述有源反射元件的入射信号相位；

所述反射式放大器用于在所述RIS控制器的控制下改变到所述有源反射元件的入射信号幅度；

所述电源供应模块用于储存所述薄膜太阳能电池产生的电能并向所述第一控制电路板和所述RIS控制器供电。

在本发明的一个实施例中，所述薄膜太阳能电池与所述电源供应模块之间还连接有稳压电路，所述稳压电路用于对所述薄膜太阳能电池产生的电能进行稳压后传输至所述电源供应模块。

在本发明的一个实施例中，所述无源反射元件自上而下依次包括无源反射元件层、第二金属背板及第二控制电路板，所述第二控制电路板连接所述RIS控制器。

在本发明的一个实施例中，所述第二控制电路板包括第二相移电路，所述第二相移电路用于在所述RIS控制器的控制下改变到所述无源反射元件的入射信号相位。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属背板和所述第二金属背板采用铜或银。

在本发明的一个实施例中，所述RIS控制器为FPGA控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的混合可重构智能反射表面相对单独的无源RIS可放大信号幅度，增加波束成形增益；将太阳能电池与有源反射元件集成，解决了其供电问题。相对有源RIS降低了成本。总体上，该结构实现了通信设备的小型化，节能化，智能化，低成本和减少后期维护成本。

2、本发明有源反射元件的有源反射元件层采用透明导电氧化物ITO，具有较高的透光性，有效地减少了辐射贴片对太阳能电池板的遮挡，保障太阳能电池板能够完全的暴露在光照下，有效的提高太阳能电池的发电量。

3、本发明的太阳能电池采用非晶硅薄膜，薄膜太阳能电池的灵活性简化了太阳能电池板，从而减轻了整个电力系统的负担。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种集成有太阳能电池的有源反射元件的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种有源反射元件中的第一控制电路板结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种无源反射元件的结构示意图。

附图标记说明：

1-有源反射元件；11-有源反射元件层；12-玻璃基板；13-薄膜太阳能电池；14-第一金属背板；15-第一控制电路板；151-第一相移电路；152-反射式放大器；153-电源供应模块；2-无源反射元件；21-无源反射元件层；22-第二金属背板；23-第二控制电路板；3-RIS控制器；4-导线；5-基站；6-有源反射元件反射的波束；7-无源反射元件反射的波束。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种集成有太阳能电池的有源反射元件的结构示意图。该混合可重构智能反射表面包括规则排列的多个有源反射元件1和多个无源反射元件2、以及分别连接有源反射元件1和无源反射元件2的RIS控制器3，RIS控制器3用于控制有源反射元件1上的入射信号的相位和幅度，以及用于控制无源反射元件2上的入射信号的相位。在本实施例中，所述多个有源反射元件1规则排列在一起形成矩形或正方形形状，而所述多个无源反射元件2规则排列在所述有源反射元件1的四周，使得整个混合可重构智能反射表面呈矩形或正方形形状。有源反射元件1和无源反射元件2的尺寸大小可根据实际需求进行确定。

有源反射元件1自上而下依次包括有源反射元件层11、玻璃基板12、薄膜太阳能电池13、第一金属背板14以及第一控制电路板15，第一控制电路板15连接RIS控制器3；薄膜太阳能电池13能够将入射到有源反射元件1的光能转换为电能以向第一控制电路板15和RIS控制器3供电。换句话说，本实施提供了一种太阳能电池与混合可重构智能反射表面集成的一体化结构，其中，无源反射元件不需要集成太阳能电池，有源反射元件设计集成太阳能电池，最后将两者拼接起来。玻璃基板12用于将有源反射元件层11与薄膜太阳能电池13隔离开。第一金属背板14位于薄膜太阳能电池13的下方，作为薄膜太阳能电池13的衬底，并用作薄膜太阳能电池13的一个输出电极和辐射贴片的地端。第一控制电路板15通过导线4与第一金属背板14连接，并通过导线4与RIS控制器3相连接。

具体地，有源反射元件层11为设置在玻璃基板12上表面且由透明导电氧化物构成的辐射贴片。优选的，透明导电氧化物为铟锡氧化物ITO。铟锡氧化物具有较高的透光性，有效的减少了辐射贴片对太阳能电池板的遮挡，保障太阳能电池板能够完全的暴露在光照下，对太阳能电池的发电量影响最小。

在本实施例中，该混合可重构智能反射表面的反射原件层是由方形辐射贴片构成的均匀阵列，其中，无源反射元件层21是完整的方形金属贴片，而有源反射元件层11是采用透明导电材料形成方形贴片。

优选地，薄膜太阳能电池13由ZnO和非晶硅a-Si两种物质构成，自下而上依次包括第一ZnO层、非晶硅层和第二ZnO层。第一金属背板14采用铜或银等金属制成。

进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种有源反射元件中的第一控制电路板结构示意图。第一控制电路板15包括第一相移电路151、反射式放大器152、电源供应模块153，其中，相移电路151用于在RIS控制器3的控制下改变到有源反射元件1的入射信号相位；反射式放大器152用于在RIS控制器3的控制下改变到有源反射元件1的入射信号幅度；电源供应模块153用于储存太阳能电池产生的电能并向第一控制电路板15和RIS控制器3供电。优选的，电源供应模块153为蓄电池或者其他适当的可充电电源。

进一步地，薄膜太阳能电池13与电源供应模块153之间还连接有稳压电路，以对薄膜太阳能电池13产生的电能进行稳压后传输至电源供应模块153。具体地，薄膜太阳能电池13是将光能转换为电能并将其输送到第一控制电路板15中的蓄电池里面储存起来，由于太阳光不同时间段的强弱不一样，薄膜太阳能电池13输出的电压受光照的影响太大，因此需要先经过一个稳压电路，再连接到第一控制电路板15中的电源供应模块153将电能储存在蓄电池中，该蓄电池保证了电源能稳定持续为有源RIS部分供电，使其可在夜间和白天正常工作。

本实施例的RIS控制器3为FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)控制器。该FPGA控制器可以根据实际需求设定需要调节的有源反射元件1的入射信号相位和幅度，以及设定需要调节的无源反射元件1的入射信号相位。此外，该RIS控制器也可以通过引入人工智能、大数据并结合其他智能器件、AI算法来实现更好的控制。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种无源反射元件的结构示意图。本实施例的无源反射元件2自上而下依次包括无源反射元件层21、第二金属背板22及第二控制电路板23，第二控制电路板23连接至RIS控制器3。第二控制电路板23包括第二相移电路，第二相移电路用于在RIS控制器3的控制下改变到无源反射元件2的入射信号相位。换句话说，RIS控制器3仅控制无源反射元件2的入射信号相位。优选地，第二金属背板22采用铜或银等金属制成。

本实施例的混合可重构智能反射表面工作原理为：

首先，太阳光通过有源反射元件上的透明导电氧化物辐射贴片照射在薄膜太阳能电池13上，薄膜太阳能电池13将光能转化为电能，并经过稳压电路稳压后存储在电源供应模块153中，为第一控制电路板15和RIS控制器3供电。当来自基站5的入射信号射入到该混合可重构智能反射表面上时，RIS控制器3会发送指定反射相位和幅度的命令至第一控制电路板15，第一控制电路板15通过调整第一相移电路15改变到达有源反射元件的入射信号的相位，并通过反射式放大器152放大入射信号的幅度，产生有源反射元件反射的波束6；同时RIS控制器3会发送指定反射相位的命令至第二控制电路板23，第二控制电路板23通过调整所述第二相移电路改变到达无源反射元件的入射信号的相位，产生无源反射元件反射的波束7，如图1所示。

本实施例的混合可重构智能反射表面相对单独的无源RIS可放大信号幅度，增加波束成形增益；将太阳能电池与有源反射元件集成，解决了其供电问题。相对有源RIS降低了成本。总体上，该结构实现了通信设备的小型化，节能化，智能化，低成本和减少后期维护成本。本实施例有源反射元件的有源反射元件层采用透明导电氧化物ITO，具有较高的透光性，有效地减少了辐射贴片对太阳能电池板的遮挡，保障太阳能电池板能够完全的暴露在光照下，有效提高太阳能电池的发电量。此外，本实施例的太阳能电池采用非晶硅薄膜，薄膜太阳能电池的灵活性简化了太阳能电池板，从而减轻了整个电力系统的负担。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，包括规则排列的多个有源反射元件(1)和多个无源反射元件(2)、以及分别连接所述有源反射元件(1)和所述无源反射元件(2)的RIS控制器(3)，其中，

所述RIS控制器(3)用于控制所述有源反射元件(1)上的入射信号的相位和幅度，以及用于控制所述无源反射元件(2)上的入射信号的相位；

所述有源反射元件(1)自上而下依次包括有源反射元件层(11)、玻璃基板(12)、薄膜太阳能电池(13)、第一金属背板(14)以及第一控制电路板(15)，所述第一控制电路板(15)连接所述RIS控制器(3)；

所述薄膜太阳能电池(13)能够将入射到所述有源反射元件(1)的光能转换为电能以向所述第一控制电路板(15)和所述RIS控制器(3)供电。

2.根据权利要求1所述的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，所述有源反射元件层(11)为设置在所述玻璃基板(12)上表面且由透明导电氧化物构成的辐射贴片。

3.根据权利要求2所述的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，所述透明导电氧化物为铟锡氧化物。

4.根据权利要求1所述的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，所述薄膜太阳能电池(13)自下而上依次包括第一ZnO层、非晶硅层和第二ZnO层。

5.根据权利要求1所述的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，所述第一控制电路板(15)包括第一相移电路(151)、反射式放大器(152)、电源供应模块(153)，其中，

所述第一相移电路(151)用于在所述RIS控制器(3)的控制下改变到所述有源反射元件(1)的入射信号相位；

所述反射式放大器(152)用于在所述RIS控制器(3)的控制下改变到所述有源反射元件(1)的入射信号幅度；

所述电源供应模块(153)用于储存所述薄膜太阳能电池(13)产生的电能并向所述第一控制电路板(15)和所述RIS控制器(3)供电。

6.根据权利要求5所述的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，所述薄膜太阳能电池(13)与所述电源供应模块(153)之间还连接有稳压电路，所述稳压电路用于对所述薄膜太阳能电池(13)产生的电能进行稳压后传输至所述电源供应模块(153)。

7.根据权利要求1所述的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，所述无源反射元件(2)自上而下依次包括无源反射元件层(21)、第二金属背板(22)及第二控制电路板(23)，所述第二控制电路板(23)连接所述RIS控制器(3)。

8.根据权利要求7所述的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，所述第二控制电路板(23)包括第二相移电路，所述第二相移电路用于在所述RIS控制器(3)的控制下改变到所述无源反射元件(2)的入射信号相位。

9.根据权利要求7所述的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，所述第一金属背板(14)和所述第二金属背板(22)采用铜或银。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面，其特征在于，所述RIS控制器(3)为FPGA控制器。

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