CN114614270A - 一种基于可重构的双极化反射表面天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可重构的双极化反射表面天线，它包括由m×n个以阵列形式排布的反射表面单元，每个反射表面单元包括介质基板，在介质基板上层刻蚀有螺旋交叉偶极子，在介质基板的下层设置有金属地；所述螺旋交叉偶极子用以接收电磁波并对电磁波进行相位调控，最后反射电磁波；在螺旋交叉偶极子上设置有枝节和PIN管，通过枝节延长电流路径实现反射单元小型化，通过控制PIN管的截止或者导通状态改变反射表面单元的电流路径，进而改变反射表面单元的电长度实现180°的反射相位差实现波束重构。本发明所提出的反射表面单元采用中心对称结构，能够实现双极化波束可重构，实现了二维波束扫描，扫描范围高达±60°。

Description

一种基于可重构的双极化反射表面天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于可重构的双极化反射表面天 线。

背景技术

随着移动通信技术的快速发展，通信环境愈发复杂，可重构无线通信逐渐 成为一项关键技术。在毫米波频段，由于频率较高、波长较短，电磁波绕射能 力较差，而无线信道中也充满了不确定性和随机性，严重基站和用户之间的通 信质量，因此，基于可重构反射表面的智能通信系统正成为一个研究热点。

反射表面，抑或反射阵，是一种常见的基于相位补偿原理来实现高增益定 向辐射的无源器件。反射表面通常是由成百上千个亚波长单元组成的二维平面 阵列，每个单元的电磁特性，包括其幅度、相位、极化，都是可控的。对于传 统的用于实现单个波束定向辐射的反射表面，一旦辐射方向等指标确定，其每 个单元的结构随即确定且不可调，因此，这类反射表面的应用场景非常有限； 而对于移动通信、卫星通信和雷达等通信系统而言，传统用于实现单个波束定 向辐射的反射表面很难满足这些通信系统的需求，因此，如何设计出能够满足 移动通信、卫星通信和雷达等通信系统需求的反射表面，是现阶段需要考虑的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于可重构的双极化 反射表面天线，解决了传统反射表面存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于可重构的双极化反射表 面天线，它包括由m×n个以阵列形式排布的反射表面单元，每个反射表面单元 包括介质基板，在介质基板上层刻蚀有螺旋交叉偶极子，在介质基板的下层设 置有金属地；所述螺旋交叉偶极子用以接收电磁波并对电磁波进行相位调控， 最后反射电磁波；在螺旋交叉偶极子上设置有枝节和PIN管，通过枝节延长电 流路径实现反射单元小型化，通过控制PIN管的截止或者导通状态改变反射表 面单元的电流路径，进而改变反射表面单元的电长度实现180°的反射相位差实 现波束重构。

所述螺旋交叉偶极子包括呈中心对称的十字型导体，在十字型导体的四个 方向上分别设置有延伸导体，所述延伸导体的延伸方向为顺时针方向。

所述十字型导体的四个方向上分别设置有大小一样的枝节，四个枝节呈中 心对称；在每个延伸导体上设置有PIN管。

每个反射表面单元与控制电路和FPGA进行电连接，通过控制反射表面单元 上PIN管的截止和导体两种状态对反射表面进行编码调控；所述PIN管截止状 态为0状态对应0°相位补偿，导体状态为1状态对应180°相位补偿。

当馈源位置确定时，利用几何光学原理计算不同波束指向角度对应的每个 反射表面单元所需要补偿的相位，即馈源到每个反射表面单元的光程差，若计 算出某个反射表面单元所需补偿的相位在[270°，360°]和[0°，90°]区间内， 则控制该反射表面单元单元的PIN管为截止状态，即0状态；若计算出某个反 射表面单元所需补偿的相位在[90°，270°]区间内，则该发射表面单元的PIN 管处于导通状态，即1状态；通过控制每个反射表面单元上PIN管的状态实现 波束的可重构，即方向图的可重构。

所述介质基板为F4BME220介质基板，相对介电常数ε_r＝2.2，损耗角正切为0.009。

本发明具有以下优点：一种基于可重构的双极化反射表面天线，可用于实 现毫米波通信的信号补盲，增强用户接收信号的质量；本发明的可重构反射表 面可以在实现波束的连续宽角扫描，相比于机械扫描只能实现离散波束扫描而 言，本发明波束扫描更加灵活可控，能满足更广的应用需求；本发明的反射表 面单元采用了双极化结构，所以能实现双极化波束扫描，相比于单极化工作模 式的反射表面而言应用更加广泛；本发明的反射表面单元采用了枝节，减小了 单元尺寸，有利于提高反射表面的口径效率，提升系统性能。

附图说明

图1是基于智能反射表面的通信系统示意图。

图2是反射表面单元结构图。

图3是反射表面单元PIN管截止状态电流分布图。

图4是反射表面单元PIN管导通状态电流分布图。

图5是反射表面单元两种状态下的相位随频率的响应。

图6是反射表面单元两种状态下的反射系数随频率的响应。

图7是可重构反射表面俯视图。

图8是波束扫描示意图。

图9是波束扫描归一化方向图。

图10是峰值增益图，以θ_b＝0度、20度为例。

图11是双极化工作模式示意图；

图中：1-基站，2-障碍物，3-智能反射表面，4-第一用户，5-第二用户， 6-螺旋交叉偶极子，61-十字型导体，62-延伸导体，7-枝节，8-PIN管，9-介质 基板，10-金属地。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请 实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此 处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设 计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要 求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请 的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明通过引入控制电路和现场可编程门阵列(FPGA)可以对反射表面进 行编码调控，实现智能反射表面。本发明所提出的反射表面可作为无线传输信 道的一部分，实现信道可控，进而扩展无线覆盖范围，实现信号的补盲和增强， 大幅提高系统性能。例如，对于一个发射端和接收端中间有障碍物的应用场景， 可通过放置本发明的反射表面，建立虚拟的视距链路，实现补盲，特别是对于 毫米波等高频段。再如，针对毫米波通信，可在现有的基站附近部署本发明的 智能反射表面，实现增强型移动带宽(eMBB)。此外，本发明的反射表面可实现 干扰消除，加密通信。实现了波束的可重构，通过控制反射表面单元上的PIN管导通和截止状态，实现了波束的连续可调。本发明所提出的反射表面单元采 用中心对称结构，能够实现双极化波束可重构。本发明实现了二维波束扫描， 扫描范围高达±60°。

如图1所示为一个基于可重构智能反射表面的智能通信系统，由于毫米波 相对于sub-6G频段的电磁波绕射能力更差，在基站1与第一用户4和第二用户 5之间存在障碍物2时，会严重影响接收信号质量，通过在适当位置放置一块智 能反射表面，通过反射表面后端数值控制模块的调控，可以实现信道的可重构， 实现信号的补盲，增强用户接收信号的质量。通过控制反射表面各单元的状态， 也可实现在不同用户(不同方向)的波束可重构。

如图2所示为本发明提出的反射表面单元，该单元上层为螺旋交叉偶极子6， 材料为金属，用以接收电磁波并对其进行相位调控，最后反射电磁波。螺旋交 叉偶极子6包括呈中心对称的十字型导体61，在十字型导体61的四个方向上分 别设置有延伸导体62，所述延伸导体62的延伸方向为顺时针方向。十字型导体 61的四个方向上分别设置有大小一样的枝节7，四个枝节7呈中心对称；在每 个延伸导体62上设置有PIN管8。

其中，枝节7用以延长电流路径实现单元小型化。PIN管8为理想PIN管， 每个单元共4个，截止(0状态)或导通(1状态)对应两种相位状态(0度和 180度)。中间层为F4BME220介质基板9，相对介电常数ε_r＝2.2，损耗角正切为 0.009。下层为金属地10。

如图3和图4所示，分别为PIN管截止与导通状态对应的在30GHz处的 交叉偶极子表面电流分布，即该反射表面单元对应的0和1状态，可以看出， PIN管8截止时，偶极子末端电流仅有小部分耦合到另一端，因此，此时的反射 表面单元的电长度相对于PIN管8导通状态减少，因此反射相位不同。通过在 合适的位置放置PIN管8，在该位置放置PIN管能使反射表面单元在设计的中心 频率产生0度和180度这两个反射相位；如果不放置在该位置，则不能在设计 的中心频率产生0度和180度这两个反射相位，但我们的设计需要0度和180 度这两个反射相位，即1比特相位差。图5所示为本发明反射表面单元在ANSYS HFSS仿真软件里的相位随频率变化图，可以看出PIN管8处于两种状态时相位 差在180度附近，其中在30GHz时相位差刚好为180度，且在29-32.5GHz 频率范围内的相位差变化为180±20度。图6给出了反射表面单元的反射损耗， 反射损耗可以忽略不计，入射的电磁波几乎全部反射。

图7所示为本发明提出的反射表面11的俯视图，该反射表面由20行20列 共400个前述反射表面单元构成，每个反射表面单元的4个PIN管8初始均处 于0状态，即截止。为了对本发明提出的反射表面进行验证，采用偏馈的方式 在反射表面上方放置了一个圆锥喇叭12用作馈源，如图8所示。喇叭口径中心 对准反射表面中心，这段距离为焦距，焦距与表面边长比例(即焦径比)等于1， 喇叭偏离反射表面法线的角度，即偏馈角度为20度。此时极化在yz平面内， 可以在yz平面内实现波束扫描，即方向图可重构。波束指向角度为(_b,θ_b)，不同反射表面单元(x_i,y_j)可通过如下公式计算：

其中，φ_ij为单元(x_i,y_j)所需补偿的相位，k₀为传播常数，F为焦距，φ ₀为反射表面中心对应的初始相位，本发明中φ₀设为0度。

图9给出了反射表面在30GHz频率处的yz面波束可重构方向图，实现了从-60度到+60 度的波束扫描，即方向图可重构。由于PIN管8状态可调，所以扫描的波束是连续可调的，这里只给出了每间隔10度的扫描示意图。尽管在边缘的波束增益相对中心波束来讲有一定下 降，但仍有良好的波形。总体来讲，本发明的反射表面的方向图可重构性能得到了验证。图 10给出了θ_b为0度和20度增益曲线，可以看出在毫米波频率27-33GHz范围内基本高于20dBi。此外，如图11所示，本发明的反射表面可采用双馈模式，同时沿x轴放置另一馈源 喇叭13，则能够在xz平面内同样实现±60度的波束连续扫描，此时天线极化在xz平面内， 因此，本发明提出的反射表面支持双极化工作模式，能够实现二维扫描。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所 披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改 和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知 识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围， 则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于可重构的双极化反射表面天线，其特征在于：它包括由m×n个以阵列形式排布的反射表面单元，每个反射表面单元包括介质基板(9)，在介质基板(9)上层刻蚀有螺旋交叉偶极子(6)，在介质基板(9)的下层设置有金属地(10)；所述螺旋交叉偶极子(6)用以接收电磁波并对电磁波进行相位调控，最后反射电磁波；在螺旋交叉偶极子(6)上设置有枝节(7)和PIN管(8)，通过枝节(7)延长电流路径实现反射单元小型化，通过控制PIN管(8)的截止或者导通状态改变反射表面单元的电流路径，进而改变反射表面单元的电长度实现180°的反射相位差实现波束重构。

2.根据权利要求1所述的一种基于可重构的双极化反射表面天线，其特征在于：所述螺旋交叉偶极子(6)包括呈中心对称的十字型导体(61)，在十字型导体(61)的四个方向上分别设置有延伸导体(62)，所述延伸导体(62)的延伸方向为顺时针方向。

3.根据权利要求2所述的一种基于可重构的双极化反射表面天线，其特征在于：所述十字型导体(61)的四个方向上分别设置有大小一样的枝节(7)，四个枝节(7)呈中心对称；在每个延伸导体(62)上设置有PIN管(8)。

4.根据权利要求1所述的一种基于可重构的双极化反射表面天线，其特征在于：每个反射表面单元与控制电路和FPGA进行电连接，通过控制反射表面单元上PIN管(8)的截止和导体两种状态对反射表面进行编码调控；所述PIN管(8)截止状态为0状态对应0°相位补偿，导体状态为1状态对应180°相位补偿。

5.根据权利要求4所述的一种基于可重构的双极化反射表面天线，其特征在于：当馈源位置确定时，利用几何光学原理计算不同波束指向角度对应的每个反射表面单元所需要补偿的相位，即馈源到每个反射表面单元的光程差，若计算出某个反射表面单元所需补偿的相位在[270°，360°]和[0°，90°]区间内，则控制该反射表面单元单元的PIN管(8)为截止状态，即0状态；若计算出某个反射表面单元所需补偿的相位在[90°，270°]区间内，则该发射表面单元的PIN管(8)处于导通状态，即1状态；通过控制每个反射表面单元上PIN管(8)的状态实现波束的可重构，即方向图的可重构。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种基于可重构的双极化反射表面天线，其特征在于：所述介质基板(9)为F4BME220介质基板，相对介电常数ε_r＝2.2，损耗角正切为0.009。

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