CN113782980B - 可调控电磁阵元及智能表面 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供可调控电磁阵元及智能表面。其中，可调控电磁阵元包括反射单元和寄生单元，反射单元包括：至少一个反射金属片；至少一个可调控元件，可调控元件与反射金属片电性连接，可调控元件用于根据调控信号调控电磁阵元的电磁参数；寄生单元设置在反射金属片的周边，寄生单元与反射金属片耦合连接。本申请实施例通过在可调控电磁阵元的反射单元的周边设置寄生单元，以构成寄生智能表面，利用寄生单元和电磁阵元间的耦合效应改变智能表面的本构参数，从而降低智能表面的反射损耗，提高了智能表面相位响应的稳定性，有利于突破阵元布局以及介质基材对智能表面的性能限制，提高多比特多极化RIS方案的可靠性。

Description

可调控电磁阵元及智能表面

技术领域

本申请实施例涉及无线通信技术领域，尤其涉及可调控电磁阵元及智能表面。

背景技术

可重构智能表面RIS（Reconfigurable Intelligent Surface）作为无线通信重要技术之一受到业界重视。RIS可以通过控制电磁阵元的电参数，形成特定的波束指向，实现所需区域的信号补盲或增强。反射式RIS可以实现基站视距盲区的信号覆盖，因而应用潜力巨大。反射式RIS按照反射电磁波相位状态数量可以分为1比特和多比特；按照反射波极化特性可以分为单极化和多极化；按照反射波束能否电控切换分为静态和动态。

目前，RIS方案普遍性能较差，例如，RIS尚无法满足多比特多极化的性能需求；而且，目前RIS的性能受到阵元布局以及介质基材等因素的限制，面临制造成本和制造难度高的问题。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本申请实施例提供可调控电磁阵元及智能表面，能够有效提高RIS的性能，降低制造成本。

第一方面，本申请实施例提供一种可调控电磁阵元，包括反射单元和寄生单元，

所述反射单元包括：

至少一个反射金属片；

至少一个可调控元件，所述可调控元件与所述反射金属片电性连接，所述可调控元件用于根据调控信号调控所述电磁阵元的电磁参数；

所述寄生单元设置在所述反射金属片的周边，所述寄生单元与所述反射金属片耦合连接。

第二方面，本申请实施例提供一种智能表面，包括多个如第一方面所述的可调控电磁阵元。

本申请实施例第一方面提供一种可调控电磁阵元，包括反射单元和寄生单元，所述反射单元包括：至少一个反射金属片；至少一个可调控元件，所述可调控元件与所述反射金属片电性连接，所述可调控元件用于根据调控信号调控所述电磁阵元的电磁参数；所述寄生单元设置在所述反射金属片的周边，所述寄生单元与反射金属片耦合连接。本申请实施例通过在可调控电磁阵元的反射单元的周边设置寄生单元，以构成寄生智能表面，利用寄生单元和电磁阵元间的耦合效应改变智能表面的本构参数，从而降低智能表面的反射损耗，提高了智能表面相位响应的稳定性，有利于突破阵元布局以及介质基材对智能表面的性能限制，提高多比特多极化RIS方案的可靠性。

可以理解的是，上述第二方面与相关技术相比存在的有益效果与上述第一方面与相关技术相比存在的有益效果相同，可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的可调控电磁阵元的反射电路层结构示意图；

图2是本申请一个实施例提供的可调控电磁阵元的偏置电路层结构示意图；

图3是本申请一个实施例提供的可调控电磁阵元的层级结构示意图；

图4是本申请另一个实施例提供的可调控电磁阵元的反射电路层结构示意图；

图5是本申请另一个实施例提供的可调控电磁阵元的偏置电路层结构示意图；

图6是本申请另一个实施例提供的常规RIS结构示意图；

图7是本申请另一个实施例提供的寄生超表面的结构示意图；

图8是本申请另一个实施例提供的RIS的相位响应波形图；

图9是本申请另一个实施例提供的RIS的幅度响应波形图；

图10是本申请另一个实施例提供的RIS的交叉极化抑制波形图；

图11是本申请一个实施例提供的RIS的多角度波束指向幅度相应波形图；

图12是本申请另一个实施例提供的RIS的多角度波束指向幅度相应波形图；

图13是本申请另一个实施例提供的RIS的多角度波束指向幅度相应波形图；

图14是本申请另一个实施例提供的可调控电磁阵元的反射电路层结构示意图；

图15是本申请另一个实施例提供的可调控电磁阵元的寄生电路层结构示意图；

图16是本申请另一个实施例提供的寄生超表面的正面结构示意图；

图17是本申请另一个实施例提供的寄生超表面的背面结构示意图；

图18是本申请另一个实施例提供的可调控电磁阵元的反射电路层结构示意图；

图19是本申请另一个实施例提供的寄生超表面的正面结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请实施例。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请实施例的描述。

需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等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。

还应当理解，在本申请实施例说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请实施例的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

智能表面是由大量被动的电磁阵元组成的二维平面阵列，这些电磁阵元按照一定规则排列，其厚度可忽略不计。由于这些经过特殊设计的电磁阵元表现出自然界中的材料没有的物理属性，因而由这些人工电磁阵元组成的二维阵列也被称为超表面（Meta-Surface）。每个电磁阵元由特定形状的金属或者介质材料构成，并与电子元件（可调控元件）相连，电子元件由面板上的智能控制器控制，可实现电磁阵元电磁属性（如平均磁导率、平均介电常数）的独立调整。通过对电磁阵元的电磁属性调控，就可以将入射到电磁阵元表面的电磁信号以不同的振幅、相位、极化方向等进行反射或者透射，从而可在基站和用户终端之间构造出虚拟直射径，达到智能调控空间电磁环境的目的。智能表面通过智能控制器向每个电磁阵元同时发送独立的控制指令，使入射到电磁阵元表面的电磁波在反射或者透射时振幅、相位或者极化方向发生相应的变化，经过所有电磁阵元反射或者透射的电磁波在空间叠加产生波束赋形的效果，最后被特定的终端设备接收。在无线通信系统中引入智能表面可以实现空间资源的拓展和高效利用，有助于提升无线通信系统的信道容量、提升通信的可靠性和覆盖范围、降低发射功耗、节约成本等。

可重构智能表面RIS作为未来移动通信（如6G）重要潜在技术之一受到业界重视。RIS可以通过控制电磁阵元的电参数，形成特定的波束指向实现所需区域的信号补盲或增强。按照功能RIS可以分为透射式和反射式。透射式是在来波方向上形成波束指向，反射式是在来波方向的另一侧形成波束指向。反射式RIS可以悬挂于建筑物墙体表面，实现基站视距盲区的信号覆盖，因而应用潜力巨大。

反射式RIS按照反射电磁波相位状态数量可以分为1Bit和多比特；按照反射波极化特性可以分为单极化和多极化；按照反射波束能否电控切换分为静态和动态。显然支持多比特、双极化、动态功能的反射式RIS功能最为全面，应用价值最高。

目前，针对RIS的研究多聚焦于1+1（1 Bit+单极化）、2+1（2 Bit+单极化）或1+2（1Bit+双极化）方案；然而，目前的RIS方案的性能并不理想。申请人发现，出现这种情况是因为存在如下技术难点：

1）多比特需要更多开关元件，不仅会增加控制电路的复杂性和功耗，还会改变电磁阵元的电磁特性，造成RIS和空间波阻抗失配降低反射效率；

2）多极化则存在极化间耦合效应，这会恶化单一极化的相位状态，影响不同极化间的独立电调能力，从而丧失多极化所带来的分集增益；

3）超表面电磁特性与电磁阵元排布方式、阵元间距紧密相关。随着RIS极化方式、阵列布局的改变，电磁阵元的空间稀疏化会改变RIS的本构参数（等效磁导率、等效介电常数）造成性能恶化；

4）同样的，RIS的损耗与介质基材紧密相关。一般而言，介质基材厚度越厚、介电常数越低，反射损耗越小。例如，对于Sub-6G频段的RIS而言，频率较低需要厚度较厚的基材，这无疑增加了成本和制造难度。

因此，目前，RIS方案普遍性能较差，而且，RIS的性能受到阵元布局以及介质基材等因素的限制，面临制造成本和制造难度高的问题。

基于此，本申请实施例提供一种可调控电磁阵元及智能表面。其中，可调控电磁阵元包括反射单元110和寄生单元120，反射单元110包括：至少一个反射金属片；至少一个可调控元件112，可调控元件112与反射金属片电性连接，可调控元件112用于根据调控信号调控电磁阵元的电磁参数；寄生单元120设置在反射金属片的周边，寄生单元120与反射金属片耦合连接。本申请实施例通过在可调控电磁阵元的反射单元110的周边设置寄生单元120，以构成寄生智能表面，利用寄生单元120和电磁阵元间的耦合效应改变智能表面的本构参数，从而降低智能表面的反射损耗，提高了智能表面相位响应的稳定性，有利于突破阵元布局以及介质基材对智能表面的性能限制，提高多比特多极化RIS方案的可靠性。

例如，在本申请的一些实施例中，提供了寄生超表面的多极化多比特RIS技术，利用寄生超表面技术设计了一种基于网格状寄生超表面的动态2+2（2Bit+双极化）反射式RIS，该寄生超表面采用正交网格状布局，在降低损耗的同时抑制了交叉极化反射波，实现了±45°双极化2Bit独立电调RIS。该技术和设计方案解决了动态多极化多比特反射式RIS设计中的多项关键技术难点，填补了该类型产品的空白。

需要说明的是，下文中RIS如不做特殊说明均指动态反射式RIS。本示例适用于室内外无线通信、信号中继等场景，具体应用于基站、小微站、电磁反射设备、中继设备。本发明可用于室内外无线信号的增强和补盲，也可用于站点间的无源中继。下文中智能表面可以是由多个可调控电磁阵元组成。多个可调控电磁阵元可以是呈M*N矩阵式排列，也可以是采用其他排列方式，本申请对此不作限定。寄生单元120可以是周期寄生单元120，也即是从宏观上看，智能表面各阵元的寄生单元120周期性的延拓。

参照图1和图4，一种可调控电磁阵元，包括反射单元110和寄生单元120，

反射单元110包括：

至少一个反射金属片；

至少一个可调控元件112，可调控元件112与反射金属片电性连接，可调控元件112用于根据调控信号调控电磁阵元的电磁参数；

寄生单元120设置在反射金属片的周边，寄生单元120与反射金属片耦合连接。

在一些实施例中，本申请提出了基于寄生超表面的多极化多比特反射式可重构智能表面技术。该技术通过在常规电磁散射单元四周嵌套周期寄生单元120构成寄生超表面，利用反射单元110与周期寄生单元120的电容耦合效应构建行波电流改变超表面本构参数，从而改变反射式超表面与空间波阻抗的匹配特性，实现反射效率的提升和相位响应的改善。该技术可以改善由于电磁阵元尺寸、空间布局（间距、方向、位置）、开关元件以及介质基材变化对超表面电磁响应特性的影响，为低成本、低剖面、高稳定多极化多比特RIS奠定基础。

在一些实施例中，本申请利用寄生超表面（Meta-surface，由周期金属单元结构周期排列而成的表面材料）技术，设计了一种基于网格状寄生超表面的多比特多极化反射式RIS。网格状寄生超表面中的周期寄生单元120沿着反射单元110极化方向放置，在提升反射效率改善相位响应的同时，可以增强极化方向电流、抑制交叉极化电流，保证了多极化反射波间的独立电调能力。例如，在部分实施例中，反射式RIS可支持±45°双极化2 Bit独立调控。即便采用交叉的材质，反射面剖面高度（厚度）仍可以设计到仅0.05波长，中心频率反射损耗小于3.4dB，交叉极化反射波抑制大于52dB，工作带宽可达6%以上，各项指标相对于目前RIS方案均更优。也即是相对于目前RIS方案，采用本申请技术可以将RIS的剖面高度（厚度）做得更小，损耗做得更低，交叉极化反射波抑制更好，工作带宽更大，从而在节省成本、降低制作难度的同时，提升RIS的性能。可以理解的是，如果是更好的材料的话，本申请的效果可以更好。

在一些实施例中，可调控电磁阵元的长、宽尺寸可以根据需要设计，例如，设计为0.2-1个中心波长，或者，0.7-0.8个中心波长，本申请对此不做限定。

在一些实施例中，寄生单元120形状不限，能起到耦合连接反射单元110且提供适当耦合强度的寄生单元120均可有效。

本申请实施例通过在可调控电磁阵元的反射单元110的周边设置寄生单元120，以构成寄生智能表面，利用寄生单元120和电磁阵元间的耦合效应改变智能表面的本构参数，从而降低智能表面的反射损耗，提高了智能表面相位响应的稳定性，有利于突破阵元布局以及介质基材对智能表面的性能限制，提高多比特多极化RIS方案的可靠性。

在一些实施例中，寄生单元120与反射单元110设置在同一层，以与反射单元110耦合连接；

或者，寄生单元120设置在反射单元110的上层，以与反射单元110耦合连接；

或者，寄生单元120设置在反射单元110的下层，以与反射单元110耦合连接。

在一些实施例中，本申请寄生智能表面技术是在相关技术电磁阵元的反射单元110四周嵌套周期寄生单元120，寄生单元120的实施位置可以是同层加载、上层加载、下层加载。以下以电磁阵元为多层级结构，反射单元110所在层为反射电路层100进行说明。

在一些实施例中，同层加载指的是寄生单元120与反射单元110均设置在反射电路层100。例如，寄生单元120与反射单元110设置在介质板的同一面，寄生单元120与反射单元110在水平方向形成耦合缝隙实现耦合连接，或者，寄生单元120与反射单元110通过元件（如电阻）耦合连接。其中，寄生单元120和反射单元110均可以包括金属片，金属片可以是贴合在介质板上的金属片，也可以是电镀或涂覆在介质板上的金属片，本申请对此不做限定。

在一些实施例中，上层加载指的是寄生单元120设置在反射单元110的上层。例如，寄生单元120可以通过支架或介质板架设在反射单元110所在的反射电路层100的上方。如果寄生单元120通过支架架设在反射单元110所在的反射电路层100的上方，则寄生单元120与反射单元110中间形成空气层；如果寄生单元120通过介质板架设在反射单元110所在的反射电路层100的上方，则寄生单元120与反射单元110中间设置有介质板。寄生单元120与反射单元110在垂直方向形成耦合缝隙实现耦合连接；或者，寄生单元120与反射单元110通过元件（如电阻）耦合连接。

在一些实施例中，下层加载指的是寄生单元120设置在反射单元110的下层。例如，寄生单元120可以设置在反射单元110所在的反射电路层100的下方，寄生单元120与反射单元110之间设置有介质板。寄生单元120与反射单元110在垂直方向形成耦合缝隙实现耦合连接；或者，寄生单元120与反射单元110通过元件（如电阻）耦合连接。

实际设计中，可根据需要选择寄生单元120的同层加载、上层加载或下层加载，以实现更好的反射波幅度和相位响应。

在一些实施例中，寄生单元120与反射单元110之间形成耦合缝隙，以使寄生单元120与反射单元110通过电场耦合连接；或者，寄生单元120与反射单元110通过元件耦合连接。

在一些实施例中，本申请提供的寄生超表面从耦合方式看包括寄生单元120与反射单元110的电场耦合、寄生单元120与反射单元110的元件耦合。

在一些实施例中，寄生单元120与反射单元110的电场耦合，指的是寄生单元120与反射单元110之间形成耦合缝隙，即耦合缝隙将寄生单元120与反射单元110隔开。从电路来看，对于直流电寄生单元120与反射单元110之间是断开；对于高频射频信号，直流电寄生单元120与反射单元110之间存在一个耦合，即电场耦合。

在一些实施例中，寄生单元120与反射单元110的元件耦合，指的是寄生单元120与反射单元110之间通过元件（如电阻）连接，即元件将寄生单元120与反射单元110直流连接，实现元件耦合。

在一些实施例中，反射单元110设置在可调控电磁阵元的中部位置，寄生单元120设置在可调控电磁阵元的外周，并沿反射单元110的极化方向放置，以与反射单元110耦合连接。

在一些实施例中，反射单元110可通过设置在可调控电磁阵元表面，即反射电路层100的中部，用于进行信号反射。

在一些实施例中，寄生单元120沿反射单元110的极化方向放置。例如，如图1，对于呈十字型的双极化反射单元110，寄生单元120沿十字型的反射单元110的四个方向延伸设置，以与反射单元110耦合连接。

在一些实施例中，反射金属片包括：

第一金属片111，第一金属片111用于与地电性连接；

偏置电压片113，偏置电压片113通过可调控元件112与第一金属片111电性连接，偏置电压片113用于接收调控信号并把调控信号传输到可调控元件112。

在一些实施例中，参照图3，电磁阵元为多层结构，包括反射电路层100、地板层和偏置电路层200，反射电路层100和地板层之间通过第一介质板510隔离，地板层和偏置电路层200之间通过第二介质板520隔离。反射电路层100上的第一金属片111位于反射单元110的中心，第一金属片111可通过穿过第一介质板510的金属过孔与地板层电性连接，实现接地。

在一些实施例中，偏置电压片113的数量与可调控元件112的数量对应。偏置电压片113可通过依次穿过第一介质板510和第二介质板520的金属过孔与偏置电路层200电性连接，以接收来自偏置电路层200的调控信号。

在一些实施例中，第一金属片111的形状不限。例如，第一金属片111可以是多边形金属片，也可以是圆形金属片。多边形金属片可以是方形金属片，也可以是矩形金属片，也可以是梯形金属板等，本申请对此不做限定。

在一些实施例中，第一金属片111为多边形金属片，寄生单元120沿多边形金属片的边对应设置，以使寄生单元120的至少一边与多边形金属片的至少一边形成条形耦合缝隙；

或者，

第一金属片为圆形金属片，寄生单元120沿圆形金属片的圆周对应设置，以使寄生单元120的边缘与多边形金属片的边缘形成环形耦合缝隙。

在一些实施例中，当第一金属片111为多边形金属片。寄生单元120的一个边与第一金属片111的一个边形成条形耦合缝隙；在另一些实施例中，寄生单元120的N个边可以对应与第一金属片111的N个边形成N个条形耦合缝隙，本申请对此不做限定。

在一些实施例中，第一金属片111和偏置电压片113之间还设置有第二金属片114，偏置电压片113与第二金属片114电性连接，第二金属片114通过可调控元件112与第一金属片111电性连接；

寄生单元120沿第二金属片114的边对应设置，以使寄生单元120的至少一边与第二金属片114的至少一边形成耦合缝隙。

在一些实施例中，第二金属片114为多边形金属片。寄生单元120的一个边与第二金属片114的一个边形成条形耦合缝隙；在另一些实施例中，寄生单元120的N个边可以对应与第二金属片114的N个边形成N个条形耦合缝隙，本申请对此不做限定。

在一些实施例中，参照图1和图4，第一金属片111为整体近似方形的金属片，第一金属片111的四边中间分别形成4个凹槽结构，凹槽结构用于容纳可调控元件112的一端。方第一金属片111的4个边对应外延设置4个第二金属片114，4个第二金属片114均为长条多边形金属片，第二金属片114在靠近第一金属片111一边的两端形成切角边，以使4个第二金属片114可围绕第一金属片111放置；第二金属片114靠近第一金属片111的一个长边形成凹槽，该凹槽用于容纳可调控元件112的一端；第二金属片114远离第一金属片111的一个长边形成凹槽，该凹槽用于容纳电感元件115的一端。4个第二金属片114的外侧对应设置4个偏置电压片113，沿着4个第二金属片114的外边设置有4个寄生单元120，即寄生单元120沿反射单元110的极化方向放置，形成十字型双极化反射电磁阵元。偏置电压片113与第二金属片114电性连接，第二金属片114通过可调控元件112与第一金属片111电性连接，以使偏置电压片113可将控制信号电传输到可调控元件112。

在一些实施例中，反射单元110还包括电感元件115，偏置电压片113通过电感元件115与第二金属片114电性连接。

在一些实施例中，第一金属片111和第二金属片114的射频电流可能会通过对可调控元件112的控制信号形成干扰，此时，通过在控制信号的线路中加入电感元件115，可实现交流隔离，避免第一金属片111和第二金属片114的射频电流流入偏置电路层200，从而有利于保护控制信号电路，且实现控制信号的准确、有效、可靠控制。

在一些实施例中，在寄生单元120与反射单元110设置在同一层的情况下，寄生单元120在对应于偏置电压片113的位置设置有用于容纳偏置电压片113的U型槽。

在一些实施例中，参照图1和图4，寄生单元120的矩形金属贴片朝向反射单元110的一侧刻蚀有U形槽，可以避免寄生单元120与偏置电压片113之间形成耦合，从而避免能量绕过电感元件115流入偏置电路层200。

在一些实施例中，电磁阵元可以是单极化电磁阵元，对应形成的智能表面为单极化智能表面；电磁阵元也可以是多极化电磁阵元，对应形成的智能表面为多极化智能表面，本申请对此不做限定。

例如，反射单元110可以呈线型，对应的，电磁阵元为单极化电磁阵元。参照图14和图15，反射单元110包括第一金属片111、第四金属片3112和第五金属片3113，第一金属片111为方形金属片，位于反射电路层100中间。第四金属片3112包括梯形部3112B和矩形部3112A，梯形部3112B的短边靠近第一金属片111设置，梯形部3112B的长边远离第一金属片111设置，梯形部3112B的长边与矩形部3112A连接。第五金属片3113与第四金属片3112相对设置，第五金属片3113包括梯形部3113B和矩形部3113A，梯形部3113B的短边靠近第一金属片111设置，梯形部3113B的长边远离第一金属片111设置，梯形部3113B的长边与矩形部3113A连接。第四金属片3112和第五金属片3113分布在第一金属片111上下两边，使得反射单元110呈线型，第一金属片111与第四金属片3112通过第一可调控元件3114电性连接，第一金属片111与第五金属片3113通过第二可调控元件3115电性连接。

又例如，反射单元110呈十字型，对应的，电磁阵元为双极化电磁阵元。参照图1或图4，反射电路层100是金属贴片构成十字形反射体，包括反射单元110、寄生单元120。反射单元110如图4所示呈十字形，由内至外包括位于中心的整体近似方形的第一金属片111、可调控元件112、4个第二金属片114、电感元件115以及偏置电压片113，形成±45度的双极化电磁单元。

又例如，反射单元110呈圆形，对应的，电磁阵元为圆极化电磁阵元。参照图18，作为反射部分主体的反射电路层100包括反射单元110和寄生单元120。反射单元110和寄生单元120位于同一层。反射单元110包括第一金属片111、2个偏置电压片113以及2个可调控元件4113。可调控元件4113位于第一金属片111和偏置电压片113之间。2个可调控元件4113彼此正交放置，通过控制可调控元件4113电性参数，获得不同反射波幅相响应。寄生单元120呈现八边形，嵌套于反射单元110外侧，通过控制寄生单元120内侧与反射单元110的第一金属片111的距离，获得最佳耦合。

此外，还可以通过调整反射单元110的结构，实现多极化，本申请对此不做限定。例如，可通过设置反射单元110的金属贴片为交角60度的形状，形成三极化电磁阵元。

在一些实施例中，可调控元件112可以为变容二极管、PIN二极管、液晶、MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）等。

在一些实施例中，可调控元件112可以为变容二极管，通过控制可调控元件112容值，获得不同反射波幅相响应。电容二极管是一种电压可以连续调节的一个器件，通过不同的电压可以使得变容二极管的容值出现N种状态，N为大于等于2的正整数，对应的，可以实现多比特的电磁阵元。变容二极管如果换成PIN二极管、液晶等元件，本发明寄生超表面具有类似作用和效果。

在一些实施例中，本申请的技术不仅适用于2+2（2Bit+双极化）的RIS，对于1+1（1Bit+单极化）、2+1（2Bit+单极化）、1+2（1Bit+双极化）以及其他多比特多极化的RIS均具有类似作用和效果。

在一些实施例中，电磁阵元为多层结构，包括：

反射电路层100，反射电路层100用于设置反射单元110；

第一介质板510，设置在反射电路层100下方，反射电路层100设置有至少一个与反射电路层100电性连接的金属过孔；

偏置电路层200，偏置电路层200包括用于接收调控信号的偏置线210和偏置接点220，偏置线210与偏置接点220电性连接，偏置接点220通过金属过孔与可调控元件112电性连接。

在一些实施例中，可调控电磁阵元还包括：

至少一层地板层，地板层设置在偏置电路层200的下方，和/或，地板层设置在偏置电路层200的上方；地板层通过金属过孔与反射单元110电性连接。

在一些实施例中，参照图3，电磁阵元为多层结构，由上至下依次包括反射电路层100、第一介质板510、第一地板层300、第二介质板520、偏置电路层200、第三介质板530和第二地板层400。反射电路层100通过第一金属过孔610与第一地板层300电性连接；反射电路层100分别通过两个第二金属过孔620与偏置电路层200电性连接。

在一些实施例中，偏置电路层200中偏置线210连接有外部接口，外部接口用于与外部控制器电性连接，以接收来自外部控制器的控制信号。

在一些实施例中，偏置电路层200还包括：

片状枝节230，片状枝节230与偏置接点220电性连接，用于与地板层形成滤波电容。

在一些实施例中，参照图2和图5，片状枝节230可以是扇形枝节，也可以是其它形状的枝节，本申请对此不做限定。片状枝节230起到短路电容的作用。也即是说，片状枝节230与第一地板层300或第二地板层400之间形成电容，可对交流滤波。实际工作过程中，反射电路层100的部分的射频信号（交流）会通过金属过孔和偏置接点220流到偏置电路层200，可通过片状枝节230与地板层之间形成的等效电容实现射频电流跟直流（控制信号电流）的隔离。多个片状枝节230跟地板层（金属地）会构成并联电容起到对直流断路、对交流短路的作用。

在一些实施例中，偏置线210呈弯折走线，用于形成滤波电感。参照图2和图5，在偏置电路层200中，偏置电路层200中通过将偏置线210设置成弯绕的细线，形成滤波电感，与片状枝节230形成的电容共同构成LC滤波电路，以更好地实现射频电流跟直流（控制信号的电流）的隔离。在一些实施例中，偏置电路层200中的滤波电感、片状枝节230形成的电容，与反射电路层100中设置的电感元件115，共同构成LC滤波电路，以更好地实现射频电流跟直流（控制信号的电流）的隔离。

本申请实施例通过在可调控电磁阵元的反射单元110的周边设置寄生单元120，以构成寄生智能表面，利用寄生单元120和电磁阵元间的耦合效应改变智能表面的本构参数，从而降低智能表面的反射损耗，提高了智能表面相位响应的稳定性，有利于突破阵元布局以及介质基材对智能表面的性能限制，提高多比特多极化RIS方案的可靠性。

另外，本申请还提供一种智能表面，包括多个如前述的可调控电磁阵元。智能表面可由多个可调控电磁阵元可以是呈M*N矩阵式排列，也可以是采用其他排列方式，本申请对此不作限定。寄生单元120可以是周期寄生单元120，也即是从宏观上看，智能表面各阵元的寄生单元120周期性的延拓。

以下结合三个示例说明进一步本申请实施例。

示例一

参照图1至图7，示例一给出了一个4.9GHz动态2+2（2Bit+双极化）反射式RIS1000具体实施例（下文称本示例）。参照图6和图7，其中，图6为10×10常规超表面2000（相关技术超表面），图7为本示例提供的10×10寄生超表面1000。可以看出寄生超表面1000是在常规超表面2000中嵌套加载寄生单元120所构成。寄生超表面1000包括10×10个电磁阵元1100。

本示例的电磁阵元1100包括两个部分，即微带结构的反射部分和带状线结构的偏置部分。

反射部分由上至下依次包括反射电路层100、第一介质板510、第一地板层300；偏置部分由上至下包括第一地板层300、第二介质板520、偏置电路层200、第三介质板530和第二地板层400，其中第一地板层300作为反射部分和偏置部分的分界面为二者共同使用。

参照图1和图4，反射电路层100是金属贴片构成十字形反射单元110，包括反射单元110和寄生单元120。

本示例中，参照图1和图4，电磁阵元的反射单元110如图4所示呈十字形，由内至外包括位于中心的整体近似方形的第一金属片111、变容二极管（可调控元件112）、4个第二金属片114、电感元件115以及偏置电压片113。整体近似方形的第一金属片111的中间设有第一金属过孔610，第一金属过孔610与第一地板层300连接以确保零电位；整体近似方形的第一金属片111的4个边对应外延设置4个第二金属片114，整体近似方形的第一金属片111的四边分别通过4个变容二极管（可调控元件112）对应与4个第二金属片114连接；4个偏置电压片113分别对应设置在4个第二金属片114外侧，4个第二金属片114分别通过电感元件115与偏置电压片113连接，起到串联电感作用。偏置电压片113通过第二金属过孔620与偏置电路层200连接，提供正向偏置电压，实现对变容二极管（可调控元件112）的容值调节；电感元件115起到隔离作用，用以阻止反射单元110上的射频电流流入偏置电路层200。4个偏置电压片113由2条偏置线210控制，每条偏置线210控制两个偏置电压片113，详细将在后面偏置部分描述。

4个寄生单元120沿十字型的反射单元110的四个方向延伸设置，以与反射单元110耦合连接。即是说，4个寄生单元120设置于反射电路层100的四个角落，对应与4个第二金属片114形成耦合。每个寄生单元120包括两个部分，一个角形寄生贴片122和一个矩形寄生贴片121，角形寄生贴片122沿着矩形寄生贴片121向外延伸设置，与矩形寄生贴片121形成耦合缝隙。通过调节寄生单元120的第二金属片114与反射单元110的第二金属片114的间距、尺寸，可以为相邻2个反射单元110提供最佳的临近耦合，从而改变RIS的波阻抗，以获得较小的反射损耗和稳定的相位响应。

寄生单元120的第二金属片114朝向反射单元110的一侧刻蚀有U形槽，这是为了避免寄生单元120与偏置电压片113之间形成耦合，从而避免能量（如射频电流能量）绕过电感元件115流入偏置电路层200。

参照图2和图5，偏置电路层200包括2条偏置线210、4个偏置接点220和4个片状枝节230构成。片状枝节230为扇形枝节，4个片状枝节230从4个偏置接点220开始向外散开，形成扇形。4个片状枝节230分别4个偏置接点220电性连接，4个偏置接点220与4个第二金属过孔620连接，分别与第一地板层300和/或第二地板层400形成耦合电容，起到对射频电流的并联短路的作用。单条偏置线210将单一极化的2个偏置接点220（对角线的两个偏置接点220）连接实现电压同步控制。偏置线210设置成弯绕的细线，形成滤波电感，与片状枝节230形成的耦合电容共同构成LC滤波电路，以更好地实现射频电流跟直流（控制信号的电流）的隔离。更具体的，偏置电路层200中的滤波电感、片状枝节230形成的电容，与反射电路层100中设置的电感元件115，共同构成LC滤波电路，以更好地实现射频电流跟直流（控制信号的电流）的隔离。

对本示例的智能表面，可以获得较好的幅相响应特性。如图8、图9和图10所示，分别为4种状态下的相位响应、幅度响应和交叉极化抑制。

其中，参照图8，为相位响应图。2Bit的智能表面对应有4个状态，分别为00态、01态、10态和11态，代表智能表面4种反射波的不同相位，即4种不同的相位态，波形图中横轴代表频率、纵轴代表角度。理想的情况是，4个相位态相差90度。参照图8，可以看出图中的曲线，分别代表4个相位态的4条线在频率为4.9GHz的时候，每两条线相邻两条线之间的相差几乎都是90度，是比较理想的情况。

参照9，为幅度响应图。2Bit的智能表面对应有4个状态，分别为00态、01态、10态和11态，代表智能表面4种反射波的不同相位，即4种不同的相位态，波形图中横轴代表频率、纵轴代表反射损耗。图中4个相位态对应了4条曲线，表示的是4种相位状态下的反射损耗。一般反射损耗越趋近于0越好。本示例用了普通基材，按照带内最差值去标称，仍能实现比较理想的反射损耗。比如图中，00态和01态的反射损耗均大于-1dB，是非常理想的反射损耗；01态10态在4.9GHz的时候，反射损耗大概在-3.3dB左右，也是比较理想的反射损耗。

参照10，为±45度交叉极化抑制图。2Bit的智能表面对应有4个状态，分别为00态、01态、10态和11态，代表智能表面4种反射波的不同相位，即4种不同的相位态，波形图中横轴代表频率、纵轴代表交叉极化抑制值。图中4个相位态对应了4条曲线，表示的是4种相位状态下的交叉极化抑制情况。我们希望两个极化之间彼此不影响，交叉极化抑制值指标用于衡量±45度两个极化方向之间的影响程度，交叉极化抑制值越小，说明两个极化之间的影响也就越小。图中4条曲线在4.9GHz的时候，交叉极化抑制值均能控制在-55dB以下，是比较理想的。

本示例可以支持双极化电磁波的独立电控。表1所示为双极化反射波相位差矩阵，其中00、01、10、11分别表示4种反射波相位状态。

表1 ±45°双极化独立调控相位差矩阵（单位：°）

从表1中可知，4个相位态在±45度两个极化方向，每两个相位态之间的相位相差几乎都是90度，是比较理想的情况。

本示例的智能表面支持±60°的波束指向。图11所示为10×10阵列在0°入射（即垂直于智能表面的板面入射，下文各个角度均以0°为参考基准）时，反射波0°、15°、30°、45°和60°指向方向图。其中，横轴代表反射波的角度，纵轴代表幅度（也叫波的强度，单位为dB）。由图可见，各个角度的幅度均能达到-10dB以上，反射波在0°的波束指向幅度响应波形最好。

图11中表示，入射波全部从0°入射时，通过调节每一个RIS的电磁阵元的电磁特性，实现不同的反射波的波束指向，最大波束分别实现指向0°、15°、30°、45°和60°。

本示例支持±45°内的入射反射波波束互易特性。图12所示为10×10阵列在同码本时0°和30°入射下的反射波方向图。其中，横轴代表反射波的角度，纵轴代表幅度。由图可见，在0°和30°入射下的均能取得较好的幅度响应。

本示例支持双极化反射波的独立波束指向。图13所示为10×10阵列+45°极化反射波+30°指向方向图，-45°极化反射波-30°指向方向图。其中，横轴代表反射波的角度，纵轴代表幅度。由图可见，在+45°极化反射波+30°指向方向和-45°极化反射波-30°指向方向，均能取得较好的幅度响应。

示例二

示例二给出了一个条带状单极化动态2+1（2Bit+单极化）反射式RIS3000具体实施例，如图14至图17所示，本示例的电磁阵元为单极化电磁阵元3100。图16和图17所示为基于条带状寄生超表面的10×10单极化动态2+1反射式RIS3000正反面结构示意图。寄生超表面包括10×10个单极化电磁阵元3100。

本示例的电磁阵元为单极化电磁阵元3100，单极化电磁阵元3100也包括反射部分和偏置部分。作为反射部分主体的反射电路层包括反射单元110和寄生单元120）。反射单元110和寄生单元120位于介质板两侧。即是通过下层加载的方式设置寄生单元120，寄生单元120可以设置在反射单元110所在的反射电路层的下方，寄生单元120与反射单元110之间可以设置有介质板。具体层级结构可参照示例一中的图3，可以在反射电路层和第一地板层之间加入用于承载寄生单元120的寄生电路层。

反射单元110包括第一金属片111、可调控元件、第四金属片3112和第五金属片3113，可调控元件包括第一PIN管3114和第二PIN管3115。第一PIN管3114位于第一金属片111和第五金属片3113之间，第二PIN管3115位于第一金属片111和第四金属片3112之间。通过控制第一PIN管3114、第二PIN管3115的导通状态，获得不同的第一金属片111、第四金属片3112、第五金属片3113组合状态，实现不同反射波幅相响应。寄生单元120包括第一寄生贴片3121和第二寄生贴片3122。通过调节第一寄生贴片3121、第二寄生贴片3122长度，以增强寄生单元120和反射单元110间的耦合强度，降低RIS3000的反射损耗。

示例二的偏置部分可以参照示例一设置在偏置电路层，偏置部分可以包括2条偏置线、2个偏置接点和2个扇形枝节，偏置线与偏置接点对应电性连接，偏置接点与扇形枝节对应电性连接，具体结构设计和功能效果与示例一类似，在此不做赘述。

示例三

示例三给出了一个圆极化动态2 Bit反射式RIS4000的具体实施例，如图18和图19所示，本示例的电磁阵元为圆极化电磁阵元4100。图19所示为基于蜂窝状寄生超表面的10×10圆极化动态2 Bit反射式RIS4000结构示意图。寄生超表面包括10×10个圆极化电磁阵元4100。

本示例的电磁阵元为圆极化电磁阵元4100，圆极化电磁阵元4100也包括反射部分和偏置部分。

参照图18，作为反射部分主体的反射电路层包括反射单元110和寄生单元120。反射单元110和寄生单元120位于介质板同一层。反射单元110包括第一金属片111、2个偏置电压片113以及2个可调控元件112。其中，第一金属片111为圆形金属贴片，可调控元件112为变容二极管，位于第一金属片111和偏置电压片113之间。2个可调控元件112彼此正交放置，通过控制可调控元件112容值，获得不同反射波幅相响应。寄生单元120呈现八边形，嵌套于反射单元110外侧，通过控制寄生单元120内侧与反射单元110的第一金属片111的距离，获得最佳耦合。

圆极化电磁阵元4100的层级结构和偏置部分的电路设计可参照示例一对应设计，在此不做赘述。

本申请实施例相较相关技术存在如下进步：

1）提出周期寄生单元概念以及由周期寄生单元构建的寄生超表面技术。该技术利用在常规反射式超表面中嵌套加载周期寄生单元构成寄生超表面，改变反射式超表面与空间波阻抗的匹配特性实现反射效率的提升和相位响应的改善。该技术可以改善电磁散射单元尺寸、布局、开关元件以及介质基材对超表面电磁响应特性的影响提高反射效率和相位调节范围，为极化多比特反射式RIS开发奠定基础。

2）设计了一种基于网格状寄生超表面的动态多比特多极化反射式超表面。该反射式超表面采用网格状寄生超表面架构设计，在提高反射效率和相位调节范围的同时，抑制正交极化方向电流，避免了超表面多极化反射波间的交叉耦合，保证多极化RIS中不同极化的独立电调能力。

本申请实施例通过在可调控电磁阵元的反射单元的周边设置寄生单元，以构成寄生智能表面，利用寄生单元和电磁阵元间的耦合效应改变智能表面的本构参数，从而降低智能表面的反射损耗，提高了智能表面相位响应的稳定性，有利于突破阵元布局以及介质基材对智能表面的性能限制，提高多比特多极化RIS方案的可靠性。

以上是对本申请实施例的较佳实施进行了具体说明，但本申请实施例并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请实施例精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请实施例权利要求所限定的范围内。

Claims (16)

1.一种可调控电磁阵元，包括反射单元和寄生单元，

所述反射单元包括：

至少一个反射金属片；

至少一个可调控元件，所述可调控元件与所述反射金属片电性连接，所述可调控元件用于根据调控信号调控所述电磁阵元的电磁参数；

所述寄生单元设置在所述反射金属片的周边，所述寄生单元与所述反射金属片耦合连接。

2.根据权利要求1所述的电磁阵元，其特征在于，

所述寄生单元与反射单元设置在同一层，以与所述反射单元耦合连接；

或者，所述寄生单元设置在所述反射单元的上层，以与所述反射单元耦合连接；

或者，所述寄生单元设置在所述反射单元的下层，以与所述反射单元耦合连接。

3.根据权利要求1所述的电磁阵元，其特征在于，所述寄生单元与所述反射单元之间形成耦合缝隙，以使所述寄生单元与所述反射单元通过电场耦合连接；或者，所述寄生单元与所述反射单元通过元件耦合连接。

4.根据权利要求1所述的电磁阵元，其特征在于，所述反射单元设置在所述可调控电磁阵元的中部位置，所述寄生单元设置在所述可调控电磁阵元的外周，并沿所述反射单元的极化方向放置，以与所述反射单元耦合连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电磁阵元，其特征在于，所述反射金属片包括：

第一金属片，所述第一金属片用于与地电性连接；

偏置电压片，所述偏置电压片通过所述可调控元件与所述第一金属片电性连接，所述偏置电压片用于接收调控信号并把调控信号传输到所述可调控元件。

6.根据权利要求5所述的电磁阵元，其特征在于，所述第一金属片为多边形金属片，所述寄生单元沿所述多边形金属片的边对应设置，以使寄生单元的至少一边与所述多边形金属片的至少一边形成条形耦合缝隙；

或者，

所述第一金属片为圆形金属片，所述寄生单元沿所述圆形金属片的圆周对应设置，以使所述寄生单元的边缘与所述多边形金属片的边缘形成环形耦合缝隙。

7.根据权利要求5所述的电磁阵元，其特征在于，所述第一金属片和所述偏置电压片之间还设置有第二金属片，所述偏置电压片与所述第二金属片电性连接，所述第二金属片通过所述可调控元件与所述第一金属片电性连接；

所述寄生单元沿所述第二金属片的边对应设置，以使寄生单元的至少一边与所述第二金属片的至少一边形成耦合缝隙。

8.根据权利要求7所述的电磁阵元，其特征在于，所述反射单元还包括电感元件，所述偏置电压片通过所述电感元件与所述第二金属片电性连接。

9.根据权利要求5所述的电磁阵元，其特征在于，在所述寄生单元与所述反射单元设置在同一层的情况下，所述寄生单元在对应于所述偏置电压片的位置设置有用于容纳所述偏置电压片的U型槽。

10.根据权利要求1、2、3、4、6、7、8或9所述的电磁阵元，其特征在于，

所述反射单元呈线型，对应的，所述电磁阵元为单极化电磁阵元；

或者，

所述反射单元呈十字型，对应的，所述电磁阵元为双极化电磁阵元；

或者，

所述反射单元呈圆形，对应的，所述电磁阵元为圆极化电磁阵元。

11.根据权利要求1、2、3、4、6、7、8或9所述的电磁阵元，其特征在于，所述可调控元件为变容二极管、PIN二极管或液晶。

12.根据权利要求1、2、3、4、6、7、8或9所述的电磁阵元，其特征在于，所述电磁阵元为多层结构，包括：

反射电路层，所述反射电路层用于设置所述反射单元；

第一介质板，设置在所述反射电路层下方，所述反射电路层设置有至少一个与所述反射电路层电性连接的金属过孔；

偏置电路层，所述偏置电路层包括用于接收所述调控信号的偏置线和偏置接点，所述偏置线与所述偏置接点电性连接，所述偏置接点通过所述金属过孔与所述可调控元件电性连接。

13.根据权利要求12所述的电磁阵元，其特征在于，还包括：

至少一层地板层，所述地板层设置在所述偏置电路层的下方，和/或，所述地板层设置在所述偏置电路层的上方；所述地板层通过金属过孔与所述反射单元电性连接。

14.根据权利要求13所述的电磁阵元，其特征在于，所述偏置电路层还包括：

片状枝节，所述片状枝节与所述偏置接点电性连接，用于与所述地板层形成滤波电容。

15.根据权利要求12所述的电磁阵元，其特征在于，所述偏置线呈弯折走线，用于形成滤波电感。

16.一种智能表面，包括多个如权利要求1至15任一项所述的可调控电磁阵元。

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