CN115437190A - 智能反射面 - Google Patents

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邱才明
张佳楠
时豪
朱椿
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering

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Abstract

本发明公开了一种智能反射面,涉及通信设备领域。智能反射面包括阵列分布的多个智能反射面单元，智能反射面单元包括依次分布的相位调制层、第一介质基板层、接地板层、第二介质基板层和偏置电路层；相位调制层包括金属贴片、相位延迟线和二极管，偏置电路层上布设有偏置电路，二极管的阴极与金属贴片连接，相位延迟线连接于二极管的阳极与偏置电路之间。本发明公开的智能反射面能够通过简单的结构实现波束方向的调控，降低调控成本，同时可降低波束方向调控过程中电磁波的损耗。

Description

智能反射面
技术领域
本发明属于通信设备领域，具体涉及一种智能反射面。
背景技术
随着卫星雷达通信、太空探索和移动通信的应用和迅猛发展，具有高定向性、高增益、同时可以实现远距离传输的天线，越来越受到人们的广泛关注和研究。
相控阵天线作为传统的高定向性、高增益波束扫描天线，可被广泛应用于卫星通信和军事通信中，以用于波束方向的调控。相控阵天线虽然体积小，具有高定向性，可以通过精确调控天线后端的馈电网络实现波束扫描，但由于其馈电网络复杂、加载大量的移相器和放大器，导致相控阵天线存在结构复杂、传输损耗大和造价昂贵等缺点，这些缺点大大限制了相控阵天线在波束方向的调控中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能反射面，用以解决现有技术中存在的上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种智能反射面，包括阵列分布的多个智能反射面单元，所述智能反射面单元包括依次分布的相位调制层、第一介质基板层、接地板层、第二介质基板层和偏置电路层；
所述相位调制层包括金属贴片、相位延迟线和二极管，所述偏置电路层上布设有偏置电路，所述二极管的阴极与所述金属贴片连接，所述相位延迟线连接于所述二极管的阳极与所述偏置电路之间。
基于上述公开的内容，提供了一种可用于波束方向调控的智能反射面，即设置依次分布的相位调制层、第一介质基板层、接地板层、第二介质基板层和偏置电路层，相位调制层包括金属贴片、相位延迟线和二极管，偏置电路层上布设有偏置电路，二极管的阴极与金属贴片连接，相位延迟线连接于二极管的阳极与偏置电路之间。如此，在进行波束方向调控时可通过偏置电路层上布设的偏置电路控制相位调制层上二极管的通断，二极管不同的通断状态会使得相位延迟线产生不同的相位补偿，从而使得入射至金属贴片的电磁波以不同角度反射，从而能够通过简单的结构实现波束方向的调控，降低调控成本，同时由于结构简单，电磁波传输过程中损耗也会相应降低。
在一个可能的设计中，所述相位调制层还包括电感，所述电感连接于所述相位延迟线与所述偏置电路之间。
基于上述公开的内容，通过在相位延迟线与偏置电路之间设置电感，可以隔离偏置电路端直流信号，从而不会对智能反射面的反射系数造成影响。
在一个可能的设计中，所述相位延迟线包括第一相位延迟线和第二相位延迟线，所述二极管包括第一二极管和第二二极管，所述电感包括第一电感和第二电感，所述偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路；
所述第一二极管的阴极与所述金属贴片连接，所述第一二极管的阳极、所述第一相位延迟线、所述第一电感以及所述第一偏置电路依次连接；
所述第二二极管的阴极与所述金属贴片连接，所述第二二极管的阳极、所述第二相位延迟线、所述第二电感以及所述第二偏置电路依次连接。
基于上述公开的内容，可通过控制两个二极管的通断产生4种通断状态，从而在波束方向调控时，控制相位延迟线可以产生更多的反射相位，使得波束方向调控具有更高的调控自由度与灵活性，可调节范围更广。
在一个可能的设计中，智能反射面还包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第一连接件连接于所述金属贴片与所述接地板层之间，所述第二连接件连接于所述第一电感与所述第一偏置电路之间，所述第三连接件连接于所述第二电感与所述第二偏置电路之间。
在一个可能的设计中，所述第一连接件、所述第二连接件和所述第三连接件均为金属管，所述第一连接件贯穿所述第一介质基板层且两端分别与所述金属贴片和所述接地板层连接，所述第二连接件贯穿所述第一介质基板层、所述接地板层和所述第二介质基板层且两端分别与所述第一电感和所述第一偏置电路连接，所述第三连接件贯穿所述第一介质基板层、所述接地板层和所述第二介质基板层且两端分别与所述第二电感和所述第二偏置电路连接；
所述接地板层与所述第二连接件之间绝缘，所述接地板层与所述第三连接件之间绝缘。
在一个可能的设计中，所述接地板层与所述第二连接件之间存在间隙，所述接地板层与所述第三连接件之间存在间隙；或
所述接地板层与所述第二连接件之间设置有绝缘橡胶圈，所述接地板层与所述第三连接件之间设置有绝缘橡胶圈。
在一个可能的设计中，所述第一介质基板层、所述接地板层、所述第二介质基板层以及所述偏置电路层的大小和形状均相同，且所述第一介质基板层的中心点、所述接地板层的中心点、所述第二介质基板层的中心点以及所述偏置电路层的中心点所组成的连线为一条直线并与所述第一介质基板层所在平面垂直。
在一个可能的设计中，多个智能反射面单元呈16*16的阵列分布。
在一个可能的设计中，所述金属贴片为方形。
在一个可能的设计中，所述二极管为PIN二极管。
附图说明
图1为本申请实施例提供的智能反射面中的智能反射面单元的结构透视图。
图2为本申请实施例提供的智能反射面的反射系数幅值的示意图。
图3为本申请实施例提供的智能反射面的反射相位的示意图。
图4为本申请实施例提供的智能反射面在3.3GHz处不同状态序列的远场辐射方向图。
图标：1-相位调制层；2-第一介质基板层；3-接地板层；4-第二介质基板层； 5-偏置电路层；6-第一连接件；7-第二连接件；8-第三连接件；9-金属贴片；10- 第一相位延迟线；11-第二相位延迟线；12-第一二极管；13-第二二极管；14-第一电感；15-第二电感；16-通孔；17-第一偏置电路；18-第二偏置电路。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元，并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
实施例：
本实施例提供了一种智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)，该智能反射面包括有多个智能反射面单元。请参阅图1，智能反射面单元包括依次分布的相位调制层1、第一介质基板层2、接地板层3、第二介质基板层 4和偏置电路层5。
其中，相位调制层1包括金属贴片9、相位延迟线和二极管，偏置电路层5 上布设有偏置电路，二极管的阴极与金属贴片9连接，相位延迟线连接于二极管的阳极与偏置电路之间。
本实施例提中，多个智能反射面单元呈阵列分布，智能反射面单元的数量可根据实际情况设定，例如可以是8*8的阵列分别、16*16的阵列分布或20*20的阵列分布等，本申请实施例中不做具体限定。
所述二极管可以采用但不限于普通的二极管或PIN二极管。
由于多个智能反射面单元呈阵列分布，为尽可能增加反射面积，金属贴片9 可以设置为方形。
可以理解的，在其他的一些实施例中，金属贴片9也可以为其他形状。
考虑到偏置电路端直流信号可能对智能反射面的反射系数造成影响，本申请实施例提供的智能反射面在相位调制层1还设置有电感，电感连接于相位延迟线与偏置电路之间。通过在相位延迟线与偏置电路之间设置电感，可以隔离偏置电路端直流信号，从而不会对智能反射面的反射系数造成影响，确保对波束方向的精准调控。
与此同时，为了使波束方向调控具有更高的调控自由度与灵活性，本申请实施例提供的智能反射面中智能反射面单元可设置两个二极管、两个相位延迟线、两个电感以及两个偏置电路。
具体的，请参阅图1，相位延迟线包括第一相位延迟线10和第二相位延迟线 11，二极管包括第一二极管12和第二二极管13，电感包括第一电感14和第二电感15，偏置电路包括第一偏置电路17和第二偏置电路18，第一二极管12的阴极与金属贴片9连接，第一二极管12的阳极、第一相位延迟线10、第一电感14 以及第一偏置电路17依次连接，第二二极管13的阴极与金属贴片9连接，第二二极管13的阳极、第二相位延迟线11、第二电感15以及第二偏置电路18依次连接。
采用这样的设置，可通过第一偏置电路17控制第一二极管12的通断，通过第二偏置电路18控制第二二极管13的通过，为便于说明本申请实施例中以“0”表示二极管断开状态，“1”表示二极管导通状态，则第一二极管12与第二二极管13的通断状态可表示为“00”、“01”、“10”和“11”四种状态。在这四种状态下可控制第一相位延迟线10和第二相位延迟线11产生四个不同的相位补偿，从而可以使入射至智能反射面单元上的金属贴片的电磁波以四个不同角度反射，进而可以实现动态调控波束。
可以理解的，在其他的一些实施例中，为了实现更高精度的调控波束，还可通过增设更多的相位延迟线来实现更多的相位补偿，从而实现更高精度的调控波束。可以理解的，在增设相位延迟线的同时，二极管、偏置电路以及电感的数量也需要相应的增加。
本申请实施例中，可通过连接件将金属贴片9与接地板层3连接、第一电感 14与第一偏置电路17连接以及第二电感15与第二偏置电路18连接。具体的，请参阅图1，智能反射面还包括有第一连接件6、第二连接件7和第三连接件8，其中第一连接件6连接于金属贴片9与接地板层3之间，第二连接件7连接于第一电感14与第一偏置电路17之间，第三连接件8连接于第二电感15与第二偏置电路18之间。
第一连接件6、第二连接件7和第三连接件8可以采用，但不限于导电的金属管、金属线或金属棒等。本申请实施例中，第一连接件6、第二连接件7和第三连接件8均为金属管，第一连接件6贯穿第一介质基板层2且两端分别与金属贴片和接地板层3连接，第二连接件7贯穿第一介质基板层2、接地板层3和第二介质基板层4且两端分别与第一电感14和第一偏置电路17连接，第三连接件 8贯穿第一介质基板层2、接地板层3和第二介质基板层4且两端分别与第二电感15和第二偏置电路18连接。同时，接地板层3与第二连接件7之间绝缘，接地板层3与第三连接件8之间绝缘。
本申请实施例中，在接地板层3与第二连接件7之间存在间隙，接地板层3 与第三连接件8之间存在间隙，如此可使得接地板层3与第二连接件7之间保持绝缘，接地板层3与第三连接件8之间保持绝缘。
具体的，可通过将地板层3上设置的用于第二连接件7和第三连接件8穿过的通孔16设置为大于第二连接件7和第三连接件8的外径即可。可以理解，在其他的一些实施例中，也可以通过在接地板层3与第二连接件7之间设置有绝缘橡胶圈(即第二连接件7穿过接地板层3的部分外套绝缘橡胶圈)，在接地板层 3与第三连接件8之间设置有绝缘橡胶圈(即第三连接件8穿过接地板层3的部分外套绝缘橡胶圈)使接地板层3与第二连接件7和第三连接件8之间保持绝缘。
进一步的，为方便多个智能反射面单元阵列排布，本申请实施例提供的智能反射面中同一智能反射面单元中第一介质基板层2、接地板层3、第二介质基板层4以及偏置电路层5的大小和形状均相同，且同一智能反射面单元中第一介质基板层2的中心点、接地板层3的中心点、第二介质基板层4的中心点以及偏置电路层5的中心点所组成的连线为一条直线并与第一介质基板层2所在平面垂直。如此，可尽可能减小智能反射面单元的尺寸，方便多个智能反射面单元阵列排布。
在对智能反射面进行测试时，可以通过电磁仿真软件对智能反射面建模并进行全波仿真，电磁仿真软件中单元x，y方向都采用周期边界条件，+z方向采用 Floquet端口激励，并且采用y极化平面波照射可以得到智能反射面单元的反射系数。
如图2所示，图中曲线1、2、3和4分别表示第一二极管12与第二二极管 13处于“00”、“01”、“10”和“11”四种状态下的反射系数幅值，在3.3GHz 处，反射系数幅值分别为0.99，0.82，0.72，0.9，反射系数在0.72以上，大多数电磁波可以被反射。
如图3所示，图中曲线1、2、3和4分别表示第一二极管12与第二二极管 13处于“00”、“01”、“10”和“11”四种状态下的反射相位在，3.3GHz处的相位分别为115°、24°、-60°和-142°。两相邻曲线之间的相位差位于(90° -10°，90°+10°)这一区间，这意味着智能反射面单元从状态1到状态4，可以分别产生θ1、θ1+90°、θ1+180°和θ1+270°的相移，其中θ1表示第一个曲线的相位值。
为了评估智能反射面在不同状态下的响应，将智能反射面单元周期排列组成 16×16的阵列，对其进行全波仿真和分析，每个智能反射面单元的四种状态分别用四种图案表示“00”、“01”、“10”和“11”。如图4所示，这里列举了七种不同状态序列下的响应来验证智能反射面单元调控波束的能力。
如图4(a)和(b)所示为按周期状态序列“00”、“10”、“01”、“11”…沿着x方向和y方向，垂直的入射电磁波照射智能反射面，从得到的散射方向图看出，波束分别在xoz平面倾斜到了(φ＝180°,θ＝15.4°)和在yoz平面(φ＝90°,θ＝15.4°)。其中，φ表示波束方向与x轴的夹角，θ表示波束方向与z 轴的夹角。
如图4(c)和(d)为当只采用“10”和“11”两种状态沿x和y方向周期性分布时，反射波在xoz和yoz平面上被分割成两个对称的波束。
如图4(e)和(f)所示，将上述两种状态置于棋盘分布中，智能反射面可以进一步使反射波散射成四个主波束。通过改变智能反射面的晶格(智能反射面单元) 尺寸，可以控制这四个主瓣的波束方向。如图4(e)所示，利用4×8单元的晶格尺寸构建棋盘状反射面，使四个主波束定向为(16°，22°)、(16°，158°)、 (16°，202°)和(16°，338°)。当棋盘格更改为4×4单元晶格，四个主波束将在四个象素中产生，其中θ＝22，φ＝45°，135°，225°和315°，分别如图 4(f)中所示。
为了将反射的能量重新分配到更多的方向，所有的四个状态都使用一个周期性的“00”、“10”或“11”、“01”周期分布。从图4(g)可以看出，反射波被分成多个主波束，从而产生电磁扩散。与同尺寸金属平板的镜面反射相比，这种智能反射面产生的电磁扩散能有效降低的雷达散射截面(RCS)。
综上所述，本申请实施例提供的智能反射面，通过设置依次分布的相位调制层、第一介质基板层、接地板层、第二介质基板层和偏置电路层，相位调制层包括金属贴片、相位延迟线和二极管，偏置电路层上布设有偏置电路，二极管的阴极与金属贴片连接，相位延迟线连接于二极管的阳极与偏置电路之间。如此，在进行波束方向调控时可通过偏置电路层上布设的偏置电路控制相位调制层上二极管的通断，二极管不同的通断状态会使得相位延迟线产生不同的相位补偿，从而使得入射至金属贴片的电磁波以不同角度反射，从而能够通过简单的结构实现波束方向的调控，降低调控成本，同时由于结构简单，可降低波束方向调控过程中电磁波的损耗。同时，通过在相位延迟线与偏置电路之间设置电感，可以隔离偏置电路端直流信号，从而不会对智能反射面的反射系数造成影响。另外，通过在智能反射面单元中置两个二极管、两个相位延迟线、两个电感以及两个偏置电路，可通过控制两个二极管的通断产生4种通断状态，从而在波束方向调控时，控制相位延迟线可以产生更多的反射相位，使得波束方向调控具有更高的调控自由度与灵活性，可调节范围更广。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。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)

1.一种智能反射面，其特征在于，包括阵列分布的多个智能反射面单元，所述智能反射面单元包括依次分布的相位调制层、第一介质基板层、接地板层、第二介质基板层和偏置电路层；
所述相位调制层包括金属贴片、相位延迟线和二极管，所述偏置电路层上布设有偏置电路，所述二极管的阴极与所述金属贴片连接，所述相位延迟线连接于所述二极管的阳极与所述偏置电路之间。
2.根据权利要求1所述的智能反射面，其特征在于，所述相位调制层还包括电感，所述电感连接于所述相位延迟线与所述偏置电路之间。
3.根据权利要求2所述的智能反射面，其特征在于，所述相位延迟线包括第一相位延迟线和第二相位延迟线，所述二极管包括第一二极管和第二二极管，所述电感包括第一电感和第二电感，所述偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路；
所述第一二极管的阴极与所述金属贴片连接，所述第一二极管的阳极、所述第一相位延迟线、所述第一电感以及所述第一偏置电路依次连接；
所述第二二极管的阴极与所述金属贴片连接，所述第二二极管的阳极、所述第二相位延迟线、所述第二电感以及所述第二偏置电路依次连接。
4.根据权利要求3所述的智能反射面，其特征在于，还包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第一连接件连接于所述金属贴片与所述接地板层之间，所述第二连接件连接于所述第一电感与所述第一偏置电路之间，所述第三连接件连接于所述第二电感与所述第二偏置电路之间。
5.根据权利要求4所述的智能反射面，其特征在于，所述第一连接件、所述第二连接件和所述第三连接件均为金属管，所述第一连接件贯穿所述第一介质基板层且两端分别与所述金属贴片和所述接地板层连接，所述第二连接件贯穿所述第一介质基板层、所述接地板层和所述第二介质基板层且两端分别与所述第一电感和所述第一偏置电路连接，所述第三连接件贯穿所述第一介质基板层、所述接地板层和所述第二介质基板层且两端分别与所述第二电感和所述第二偏置电路连接；
所述接地板层与所述第二连接件之间绝缘，所述接地板层与所述第三连接件之间绝缘。
6.根据权利要求5所述的智能反射面，其特征在于，所述接地板层与所述第二连接件之间存在间隙，所述接地板层与所述第三连接件之间存在间隙；或
所述接地板层与所述第二连接件之间设置有绝缘橡胶圈，所述接地板层与所述第三连接件之间设置有绝缘橡胶圈。
7.根据权利要求1所述的智能反射面，其特征在于，所述第一介质基板层、所述接地板层、所述第二介质基板层以及所述偏置电路层的大小和形状均相同，且所述第一介质基板层的中心点、所述接地板层的中心点、所述第二介质基板层的中心点以及所述偏置电路层的中心点所组成的连线为一条直线并与所述第一介质基板层所在平面垂直。
8.根据权利要求1所述的智能反射面，其特征在于，多个智能反射面单元呈16*16的阵列分布。
9.根据权利要求1所述的智能反射面，其特征在于，所述金属贴片为方形。
10.根据权利要求1所述的智能反射面，其特征在于，所述二极管为PIN二极管。
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CN116231325A (zh) * 2023-02-28 2023-06-06 深圳大学 一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列
CN116231325B (zh) * 2023-02-28 2024-03-15 深圳大学 一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列

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