CN113851853A - 一种用于毫米波波束扫描的透射式可编程超表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于毫米波波束扫描的透射式可编程超表面，包括多个基本单元；每个基本单元包括自上而下依次设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层；第一金属层、第二金属层与第三金属层均包括方形铜环以及位于方形铜环内部空间的的方形二极管贴片；方形二极管贴片由多个二极管连接组成；每个基本单元均与可编程器件连接。该超表面结构简单，可以实时、动态地实现±80°的大角度电磁波波束扫描。

Description

一种用于毫米波波束扫描的透射式可编程超表面

技术领域

本发明涉及固态等离子体和人工电磁超表面技术领域，具体涉及一种用于毫米波波束扫描的透射式可编程超表面。

背景技术

人工电磁超表面简称超表面，其概念由超材料衍生而来，它由亚波长单元周期或非周期性地排布而成，是可用于电磁波调控的二维人工电磁结构，主要分为反射式与透射式。高性能FPGA（现场可编程门阵列）出现后，实时可重构技术成为一大研究热点，该技术的本质是利用可编程器件可重复配置逻辑的特性，保持原本的物理模型不变，根据外部的需求动态地改变系统的功能。可编程透射式电磁超表面的核心思想是在超表面的每个单元上加载有源器件，然后利用可编程器件根据外部的需求动态地改变控制电路输出的电信号以实现波束扫描、多波束、波束赋型、聚焦等功能。

其中，波束扫描技术是目标探测的关键技术之一，而相控阵天线是实现波束扫描的主流技术，其可以通过大量的移相器控制相位实现波束的快速扫描，但不同相移的移相器结构复杂，设计难度较大，且相控阵天线存在±60°扫描范围的限制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于毫米波波束扫描的透射式可编程超表面，该超表面包括周期排布的可激发固态等离子体的二极管，并通过可编程器件控制二极管的通断，可以使超表面每个基本单元的透射相位呈现180°相位差，该超表面结构简单，可以实时、动态地实现±80°的大角度电磁波波束扫描。

本发明采用以下具体技术方案：

一种用于毫米波波束扫描的透射式可编程超表面，包括多个基本单元；

每个所述基本单元包括自上而下依次设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层；

所述第一金属层、所述第二金属层与所述第三金属层均包括方形铜环和位于所述方形铜环内部空间的方形二极管贴片；所述方形二极管贴片由多个二极管连接组成；

每个所述基本单元均与可编程器件连接。

进一步地，所述方形二极管贴片包括矩阵分布的多个二极管，其中，每行二极管包括多个依次串联的二极管，行首的二极管与第一金属电极连接，行尾的二极管与第二金属电极连接。

进一步地，各金属层的所述第一金属电极通过垂直穿设于所述第一介质层和所述第二介质层的第一导电连接件连接；

各金属层的所述第二金属电极通过垂直穿设于所述第一介质层和所述第二介质层的第二导电连接件连接；

所述可编程器件通过导线与所述第一导电连接件以及所述第二导电连接件连接。

进一步地，所述第一导电连接件与所述第二导电连接件均为圆柱体结构。

进一步地，多个所述二极管成26行×26列分布。

进一步地，所述第一介质层与所述第二介质层均采用微波电路板材制成。

进一步地，所述微波电路板材的介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009，厚度为2mm。

进一步地，所述方形铜环为正方形，厚度为0.035mm，外边长为5mm，内边长为3.72mm。

进一步地，所述二极管为PIN二极管、变容二极管或MEMS二极管。

进一步地，所述可编程器件为现场可编程门阵列FPGA 或单片机。

有益效果：

1、该透射式超表面的基本单元由从上至下依次堆叠的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层构成，多层式的结构设计能够在增大基本单元透射相位变化范围的同时，保证基本单元在工作频率处具有良好的透射性能。

2、该透射式超表面通过调节谐振频率，也就是S-PIN二极管的通断就可以动态控制整个透镜的相位，使透射波束朝着指定方向偏折，扫描角度达到±80°，而且S-PIN二极管处于通、断两种状态时，基本单元在25GHz左右的透射相位相差180°，透射幅度值均大于-0.5dB。

3、该透射式电磁超表面则结合了传统的抛物面天线和微带阵列天线两者高增益、体积小等优点，该超表面的基本单元排列成边长为100mm的正方形，剖面低，实现了小型化设计，便于制造和运输安装。

4、该超表面的介质层采用微波电路板材，金属层为铜环和S-PIN二极管，使整个超表面可以采用成熟的IC工艺和PCB制板技术制作，不需要设计复杂的移相器，在设计方面大大降低了难度，而且成本也大大降低，可以批量生产。

5、该超表面与可编程器件相结合，将可重构技术应用于超表面，通过控制外部电压可以对超表面的每个单元的透射相位进行动态调节，在保持基本单元本身的物理结构不变的情况下，实现不仅局限于波束扫描的功能，多波束、波束赋型、聚焦等功能均可实现。

6、该透射式超表面与反射式超表面相比，可以采用喇叭天线从空间照射馈电，无馈源遮挡，具有较高的口径效率以及较小的雷达散射面积，利于隐身，在雷达、卫星、航空喊航天通信等军事领域甚至民用领域有着广泛的应用前景。

7、本发明提供的透射式超表面利用S-PIN二极管工作时激发的固态等离子使其成为性能良好的射频开关。等离子体独特的物理性质，在解决天线隐身、互耦、带宽方面具有很大的发展潜力，因此离子体天线成为天线领域的研究的热点，而目前绝大多数的研究只限于气态等离子体天线，而对固态等离子体天线的研究几乎还是空白。固态等离子体一般存在于物理半导体器件中，无需像气态等离子那样用介质管包裹，因而有更好的安全性和稳定性。

8、该透射式超表面应用的PIN二极管是目前应用于毫米波频段最好的开关技术，尽管会降低相位分辨率，但是在传输损耗、功率和切换时间等方面都表现优良。

附图说明

图1为本发明用于毫米波波束扫描的可编程透射式超表面的整体示意图；

图2为图1中可编程透射式超表面的基本单元结构示意图；

图3为图2中基本单元的第一金属层的组成结构示意图；

图4为图1中基本单元在编码为“0”与编码为“1”时的透射幅度图；

图5为图1中基本单元在编码为“0”与编码为“1”时的透射相位图；

图6为图1中超表面在入射波的角度为（θ，∅）=（0°，0°），波束方向为（θ，∅）=（10°，0°）时的编码方案图；

图7为图1中超表面在入射波的角度为（θ，∅）=（0°，0°），波束方向为（θ，∅）=（10°，0°）时的远场仿真图；

图8为图1中超表面在入射波的角度为（θ，∅）=（0°，0°），波束偏转角为10°到80°时的相位梯度图；

图9为图1中超表面在入射波的角度为（θ，∅）=（0°，0°），波束偏转角为10°到80°时的波束扫描图；

其中，1-第一金属层，2-第一介质层，3-第二金属层，4-第二介质层，5-第三金属层，6-基本单元，7-方形铜环，8-方形二极管贴片，9-第一金属电极，10-第二金属电极。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面结合附图描述本发明：

本发明实施例提供了一种用于毫米波波束扫描的透射式可编程超表面，如图1所示，透射式可编程超表面包括多个基本单元6；如图3所示，每个基本单元6包括自上而下依次设置的第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4和第三金属层5；如图2所示，第一金属层1、第二金属层3与第三金属层5均包括方形铜环7以及位于方形铜环7内部空间的方形二极管贴片8；方形二极管贴片8由多个二极管连接组成；每个基本单元6均与可编程器件连接。

根据等效电路理论，当方形铜环7中的二极管截止时，其等效电路为两个并联的电感之间并联了一个电容，这种电路在谐振时对电磁波具有良好的传输效果；当二极管导通时，相当于在电容的中部放置了一个导体，改变了电容的容值C，电容容值C的改变使基本单元6的透射参数变化，进而基本单元6对照射波的透射响应也随之改变。利用这一特点，适当优化参数，参数包括方形铜环7的厚度h1、外边长px和内边长py，方形二极管贴片8的长度bx和宽度w，第一介质层2与第二介质层4的厚度h2、介电常数ε、正切损耗角tanδ等。通过优化上述参数即可在需要的频率得到两个数字可控的透射相位值。同时，超表面基本单元6的层数与透射相位的变化范围有关，本发明的超表面基本单元6采用多层设计，能够在增大基本单元6透射相位变化范围的同时保证基本单元6在工作频率处具有良好的透射性能。

为了使同一个基本单元6中同一金属层的二极管能同时导通或同时截止，一种方式是，首先将多个二极管串联成一排，然后将每一排紧密并排，最后在每一排二极管的首端和尾端再分别焊接一个金属电极，将每一排二极管的正极相连，负极也相连。另一种方式是，将二极管首尾串联后紧密并排。事实上，还有其它诸多连接方式均能实现同一个基本单元6中同一金属层的二极管的同时导通与同时截止，本实施方式中所有基本单元6所有金属层的二极管的连接均采用第一种方式。

为了使同一个基本单元中6所有金属层的二极管能同时导通与同时截止，使用一个穿过第一介质层2与第二介质层4上的圆形通孔的实心铜柱等导电连接件，将每一金属层连接二极管正极的金属电极连接，每一金属层连接二极管负极的金属电极也按此方式连接。本实施方式中所有基本单元6中各金属层中的金属电极的连接方式与此相同。

在本发明的一个实施例中，选用一种S-PIN二极管，其P-N结结电容的两个电极宽度为10μm，P-N结结电容的两个电极之间的距离为50μm，等离子体区域厚度为100μm，但不局限于该参数与型号的二极管；每26个该S-PIN二极管串联成一排，共26排，形成边长2.6mm的正方形S-PIN二极管贴片。

在本发明的一个实施例中，方形铜环7为正方形，厚度为0.035mmmm，外边长为5mm，内边长为3.72mm，但不局限于此参数的铜环。

在本发明的一个实施例中，第一介质层2与第二介质层4均采用Rogers RT5880板材，其介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009，厚度为2mm，但不局限于该电磁参数的介质层。

在本发明的一个实施例中，第一金属电极与第二金属电极均为长2.6mm，宽1mm的铜条；导电连接件为半径0.05mm的实心铜柱；但不局限于该尺寸与材质的金属电极与导电连接件。

在本发明的一个实施例中，在第一金属电极与第二金属电极之间施加5V正向直流偏置电压时，S-PIN二极管导通，电极中的载流子进入S-PIN二极管的本征区，并在表面聚起浓度达1018cm-3以上的载流子。此时，S-PIN二极管的表面生成具有很高导电率的固态等离子体，可以等效为一金属导体。

在本发明的一个实施例中，超表面包括20×20个基本单元6；基本单元6排列成边长为100mm的矩阵，通过在超表面上合理地排列基本单元6，大大降低了设计难度和复杂度。

该发明的超表面设计所依据的方法是相位补偿法，馈源位于透射电磁超表面的上方，电磁波由馈源喇叭发射到透射表面上时，因为每个基本单元6的透射相位与馈源中心到基本单元6的距离成正比，因此超表面上每个基本单元6所需要的补偿相位都不同，根据阵列设计的理论合理地对基本单元6相位进行补偿，就可以在给定的方向上叠加形成主波束。

对于本发明的1bit的可编程透射式超表面，需要对相位进行数字量化处理，规定补偿相位在-180°~0°范围内的基本单元状态为“0”，基本单元6中的S-PIN二极管导通，补偿相位在0°~180°范围内的基本单元6状态为“1”，基本单元6中的S-PIN二极管截止。通过FPGA或单片机可以实时、动态地控制各基本单元6切换到相应状态以实现超表面相位调控，当电磁波照射到此20×20个基本单元6结构组成的超表面可实现波束偏转。

在透射式超表面的设计中，不仅相位响应需要符合设计要求，同时还要保证较高的透射幅度。如图4所示，电磁波垂直入射，即入射波的角度为（θ，∅）=（0°，0°），在25GHz，基本单元6在两种状态下的透射幅度值几乎相等且在-0.5dB左右，如图5所示，在23~27GHz的宽频带范围，基本单元6在两种状态下透射相位的差值保持在180°左右。

如图6所示，25GHz的电磁波垂直入射，即入射波的角度为（θ，∅）=（0°，0°），而设定的波束方向为（θ，∅）=（10°，0°）时，可以得到的超表面的编码，其中黑色方框代表基本单元6为导通状态，白色方框代表基本单元6为截止状态，以及如图7所示的远场仿真图，增益为21.6dBi。

同样是25GHz的电磁波垂直入射，即入射波的角度为（θ，∅）=（0°，0°），图8显示了一维波束扫描时，波束偏转角10°到80°的超表面相位梯度，每个数字0或1代表超表面上对应的一列20个单元为0或1状态。图9显示了波束偏转角-80°到80°的波束扫描结果，可以看出波束偏转角为0°到50°时波束主瓣增益良好，旁瓣电平低，波束偏转角增大到60°到80°时旁瓣电平较为增加，波束指向误差均较低。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于毫米波波束扫描的透射式可编程超表面，其特征在于，包括多个基本单元（6）；

每个所述基本单元（6）包括自上而下依次设置的第一金属层（1）、第一介质层（2）、第二金属层（3）、第二介质层（4）和第三金属层（5）；

所述第一金属层（1）、所述第二金属层（3）与所述第三金属层（5）均包括方形铜环（7）和位于所述方形铜环（7）内部空间的方形二极管贴片（8）；所述方形二极管贴片（8）由多个二极管连接组成；

每个所述基本单元（6）均与可编程器件连接。

2.如权利要求1所述的可编程超表面，其特征在于，所述方形二极管贴片包括矩阵分布的多个二极管，其中，每行二极管包括多个依次串联的二极管，行首的二极管与第一金属电极（9）连接，行尾的二极管与第二金属电极（10）连接。

3.如权利要求2所述的可编程超表面，其特征在于，各金属层的所述第一金属电极（9）通过垂直穿设于所述第一介质层（2）和所述第二介质层（4）的第一导电连接件连接；

各金属层的所述第二金属电极（10）通过垂直穿设于所述第一介质层（2）和所述第二介质层（4）的第二导电连接件连接；

所述可编程器件通过导线与所述第一导电连接件以及所述第二导电连接件连接。

4.如权利要求3所述的可编程超表面，其特征在于，所述第一导电连接件与所述第二导电连接件均为圆柱体结构。

5.如权利要求2所述的可编程超表面，其特征在于，多个所述二极管成26行×26列分布。

6.如权利要求1所述的可编程超表面，其特征在于，所述第一介质层（2）与所述第二介质层（4）均采用微波电路板材制成。

7.如权利要求6所述的可编程超表面，其特征在于，所述微波电路板材的介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009，厚度为2 mm。

8.如权利要求1所述的可编程超表面，其特征在于，所述方形铜环（7）为正方形，厚度为0.035mm，外边长为5mm，内边长为3.72mm。

9.如权利要求1-8任一项所述的可编程超表面，其特征在于，所述二极管为PIN二极管、变容二极管或MEMS二极管。

10.如权利要求1所述的可编程超表面，其特征在于，所述可编程器件为现场可编程门阵列FPGA 或单片机。

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