CN116093628A - 一种基于非规则子阵的超表面阵列结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种超表面阵列，该超表面阵列由若干个不同形状的超表面子阵组成；所述超表面子阵经过90°，或180°，或270°的旋转，或镜像翻转后无法与原超表面子阵重合，本申请针对超大规模反射面阵列，采用非规则子阵划分，和传统的无子阵结构相比，在散射方向图增益、旁瓣等性能指标略微下降的情况下，大大减少了偏置线的数量，即减少了智能反射面的控制接口数量；和规则子阵划分相比，由于打破子阵相位中心的周期性，能够明显抑制栅瓣电平，本申请可有效降低系统成本、功耗以及工程实现难度。

Description

一种基于非规则子阵的超表面阵列结构

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于非规则子阵的超表面阵列结构。

背景技术

智能反射面可用于弱覆盖区域补盲，与中继类似，作为基站与终端用户的中间节点使用。但是，智能反射面一般由无源器件构成，不包含射频链路，无法对接收信号进行放大转发。若想显著提升无线通信链路的性能，需要增加单个智能反射面的单元数，提高阵列增益，阵列规模可能要达到千元级水平。

但是受限于系统成本、工程实现难度、器件水平等因素，对超大规模智能反射面的每一个单元进行独立控制是不现实的。采用子阵技术，可以在保证阵列性能的同时，最大限度的降低系统成本和工程实现难度，是一种折衷、有效的实现方案。阵列规模的大型化促成了子阵技术的发展与应用。简单的子阵划分方案(如棋盘格等规则邻接)，会引起阵列增益降低、出现栅瓣等问题，严重影响散射方向图的性能，迫切需要开展最优子阵划分及处理的研究。

CN 115133291 A公开了一种非规则天线子阵，整个阵面的中心部分是由2*2的规则天线子阵构成，即天线单元2*2等路径(等相位)合成后与一路射频通道相连；周边部分是由3*3的非规则天线子阵构成，即3*3的天线单元构成的子阵中，选择其中4个天线单元(共122种)等路径(等相位)合成后与一路射频通道相连，子阵中未被选择的其他5个单元不会再与其他射频通道相连。但是该方案中，该方案的非规则子阵结构中，会有部分单元没有参与辐射，导致阵列辐射方向图存在增益损失。

发明内容

本申请提供了非规则子阵的超表面阵列结构，所有单元都会参与对入射波的调制，散射方向图不存在增益损失，不存在空缺位置，不存在无效反射单元。

为实现上述技术目的，本申请采用的技术方案是：

本申请提供了一种超表面阵列，由若干个不同形状的超表面子阵组成；

所述超表面子阵由n个超表面单元组成，所述n为大于2的整数，所述超表面单元根据排列方式不同，可组成不同形状的超表面子阵，

所述超表面子阵经过90°，或180°，或270°的旋转，或镜像翻转后无法与原超表面子阵重合；

所述超表面单元上设置有X极化调控单元和Y极化调控单元，可实现双极化独立调控，所述X极化调控单元由X极化电压偏置线控制，所述Y极化调控单元由Y极化电压偏置线控制；

在所述的一个超表面子阵中，n个超表面单元中的X极化电压偏置线相连后共用第一电性出口，所述第一电性出口可控制超表面子阵中所有X极化调控单元的电压；

在所述的一个超表面子阵中，n个超表面单元中的Y极化电压偏置线相连共用第二电性出口，所述第二电性出口可控制超表面子阵中所有Y极化调控单元的电压。

作为一种优选方式，所述X极化调控单元、Y极化调控单元为PIN管或变容二极管中的一种，所述X极化调控单元和Y极化调控单元类型一致。

作为一种优选方式，所述超表面阵列由两种不同形状的超表面子阵组成。

优选的，所述超表面阵列由T形子阵和L形子阵组成。

所述T形子阵和所述L形子阵为4元子阵，由4个超表面单元组成T形或L形。

作为一种优选方式，所述超表面由若干个不同形状的超表面子阵组成，所述超表面子阵包括四元子阵、五元子阵、六元子阵、七元子阵、八元子阵中的一种或多种。

作为一种优选方式，所述超表面单元还包括沿着入射电磁波方向由上至下设置的，金属图案层、第一介质基板、金属地、第二介质基板、Y极化电压偏置线层、第三介质基板、X极化电压偏置线层；

所述金属图案层包括贴片，所述X极化调控单元和Y极化调控单元设置于贴片上；

所述第一介质基板上设置有贯穿的第一金属化通孔，所述贴片和所述金属地通过第一金属化通孔等电位连接；

所述X极化电压偏置线集成在X极化电压偏置线层上；

所述Y极化电压偏置线集成在Y极化电压偏置线层上。

优选的，所述金属图案层上还设置有第一焊盘和第二焊盘；所述X极化调控单元固定在贴片和第一焊盘中间；所述Y极化调控单元固定在贴片和第二焊盘中间。焊盘的引入可以对X极化调控单元、Y极化调控单元进行更好的调控。

优选的，第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板上设置有贯通的第二金属化通孔，所述第二焊盘通过第二金属化通孔和X极化电压偏置线层等电位相连；

优选的，第一介质基板、第二介质基板上设置有贯通的第三金属化通孔，所述第一焊盘通过第三金属化通孔和Y极化电压偏置线层等电位相连。

作为一种优选方式，所述贴片包括圆形、方形、六边形、八边形中的一种或多种。

本申请的优点：

本技术方案针对超大规模反射面阵列，采用非规则子阵划分，和传统的无子阵结构相比，在散射方向图增益、旁瓣等性能指标略微下降的情况下，大大减少了偏置线的数量，即减少了智能反射面的控制接口数量；和规则子阵划分相比，由于打破子阵相位中心的周期性，能够明显抑制栅瓣电平，本技术方案可有效降低系统成本、功耗以及工程实现难度。

附图说明

图1为本申请中一个实施例中提供的T形非规则子阵的X极化电压偏置线的连接示意图；

图2为本申请中一个实施例中提供的T形非规则子阵的Y极化电压偏置线的连接示意图；

图3为本申请中一个实施例中提供的L形非规则子阵的X极化电压偏置线的连接示意图；

图4为本申请中一个实施例中提供的L形非规则子阵的Y极化电压偏置线的连接示意图；

图5为本申请中一个实施例中提供的16*16超表面阵列的正面结构示意图；

图6为本申请中一个实施例中提供的16*16超表面阵列的X极化电压偏置线层结构示意图；

图7为本申请中一个实施例中提供的16*16超表面阵列的Y极化电压偏置线层结构示意图；

图8为本申请的一个实施例中提供的超表面单元的结构示意图；

图9为本申请的一个实施例中提供的超表面单元的结构示意图；

图10为本申请的一个实施例中提供的超表面单元的结构示意图；

图11为本申请的一个对比例中提供的16*16超表面阵列的X极化电压偏置线层结构示意图；

图12为本申请的一个对比例中提供的16*16超表面阵列的X极化电压偏置线层结构示意图；

图13为本申请的一个实施例中提供的变容二极管加载不同电压下的反射相位；

图14为本申请的一个实施例中入射波垂直照射到超表面阵列后的散射方向图。

图中：101-金属图案层；201-第一介质基板；301-金属地；401-第二介质基板；501-Y极化电压偏置线层；601-第三介质基板；701-X极化电压偏置线层；111-贴片；121-Y极化调控单元；122-X极化调控单元；131-第一焊盘；132-第二焊盘；511-Y极化电压偏置线；711-X极化电压偏置线；211-第一金属化通孔；811-第三金属化通孔；821-第二金属化通孔。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

本申请的一个实施例中，提供了一种超表面阵列，由若干个不同形状的超表面子阵组成；

所述超表面子阵由n个超表面单元组成，所述n为大于2的整数，所述超表面单元根据排列方式不同，可组成不同形状的超表面子阵，

所述超表面子阵经过90°，或180°，或270°的旋转，或镜像翻转后无法与原超表面子阵重合；

所述超表面单元包括Y极化调控单元121和X极化调控单元122，可实现双极化独立调控，所述X极化调控单元122由X极化电压偏置线711控制，所述Y极化调控单元121由Y极化电压偏置线511控制；

在所述的一个超表面子阵中，n个超表面单元中的X极化电压偏置线711相连后共用第一电性出口，所述第一电性出口可控制超表面子阵中所有X极化调控单元121的电压；

在所述的一个超表面子阵中，n个超表面单元中的Y极化电压偏置线511相连共用第二电性出口，所述第二电性出口可控制超表面子阵中所有X极化调控单元122的电压；

所述超表面子阵可拼合组成超表面阵列。

本申请和现有技术相比，主要设计点在于将超表面阵列划分为若干个不同形状的超表面子阵，并把各超表面子阵中超表面单元的X极化电压偏置线711和Y极化电压偏置线511进行归集化处理，一根电路或是一个控制接口即可控制某一超表面子阵中所有Y极化调控单元121和X极化调控单元122的偏置电压，有效减少了超表面阵列中的控制接口数量。以双极化16*16个超表面单元组成的超表面阵列为例，如果不采用子阵控制的形式，则需要512个控制接口进行控制；当采用本申请的方案，划分为不同形状的4元超表面子阵时，仅需128个控制接口即可实现对超表面阵列的控制。

现有技术中虽有将超表面划分为子阵的技术，但是现有技术中设置的为规则子阵，如传统的2*2或3*3棋盘形子阵，其特征是该子阵经过90°/180°/270°旋转、镜像操作后得到的子阵与操作前子阵可以完全重合，这种规则子阵在实际应用过程中会出现栅瓣，且增益下降较多；非规则子阵可有效克服这个问题，非规则子阵的划分打乱了阵列中子阵相位中心分布的周期性，从而消除阵因子的栅瓣，增益与无子阵结构相比仅有略微下降，可达到较好的技术效果。此外，在本方案的提供的非规则子阵结构中，所有单元都会参与对入射波的调制，散射方向图不存在增益损失。

作为一种优选方式，所述Y极化调控单元121、X极化调控单元122为PIN管或变容二极管中的一种，所述Y极化调控单元121和X极化调控单元122类型一致。PIN管或变容二极管参数多变，技术成熟，可根据实际应用情况进行具体的选取。

在本申请的一个实施例中，所述超表面阵列由两种不同形状的超表面子阵组成。

作为一种优选方式，如图1～4所示，所述超表面阵列由T形子阵和L形子阵组成。

所述T形子阵和所述L形子阵为4元子阵，由4个超表面单元组成T形或L形。

在本申请的技术方案中，根据超表面单元排布方式的不同，通常超表面子阵可以为多种形态，这里将子阵及其旋转、镜像后的形态视为同一种子阵。图1～图4提供了由4个超表面单元组成T形或镜像L形的超表面子阵的形态，从图中可以看出，在T形子阵和镜像L形子阵中，X极化电压偏置线711和Y极化电压偏置线511按照子阵的形状连接在一起，分别只需一个电性出口就可对子阵中所有的偏置线进行控制。

以上述超表面单元为基本组成单元，图1、图2给出了4个单元组成的T形非规则子阵，4个单元的X极化电压偏置线711连接在一起，即4个单元的供电电压始终相同；同理，4个单元的Y极化电压偏置线511也连接在一起。T形子阵经过旋转90°、180°和270°得到的子阵归属于同一子阵类别，其他形状同理，经过旋转和/或镜像后的子阵属于同一类别。

图3、图4给出了4个单元组成的镜像L形非规则子阵，4个单元的X极化电压偏置线711连接在一起，4个单元的Y极化电压偏置线511连接在一起。镜像L形子阵经过旋转90°、180°和270°得到的子阵归属于同一子阵类别。

通过计算，进行T形子阵和镜像L形子阵的合理布局，可以实现16*16的大型阵列，且该阵列中每个单元都是有效反射单元，不存在因为子阵形态不规则导致的阵列中某些位置空缺的情况，与无子阵情况下的阵列面积利用率一致。

图5、图6、图7提供了由若干个T形子阵和镜像L形子阵组成的16*16超表面阵列的正面、X极化电压偏置线层701和Y极化电压偏置线层501的结构示意图，可以看出，双极化工作只需要128个接口即可控制整个超表面阵列。

这里需要说明的是，通过非规则子阵组成16*16阵列的方式不止一种，也不止可以组成16*16阵列。子阵种类、子阵大小(4元、6元等)、子阵排布方式决定了超表面单元与电压偏置线(对应控制接口)的比例关系，需要根据散射方向图增益、旁瓣等性能以及控制接口数目等进行选择，通过计算，可以设计出多种形状的非规则超表面子阵，从而组成不同大小的超表面阵列。

在本申请的一个实施例中，所述超表面由若干个不同形状的超表面子阵组成，所述超表面子阵包括四元子阵、五元子阵、六元子阵、七元子阵、八元子阵中的一种或多种。

在本申请的一个实施例中，如图8所示，所述超表面单元还包括沿着入射电磁波方向由上至下设置的，金属图案层101、第一介质基板201、金属地301、第二介质基板401、Y极化电压偏置线层501、第三介质基板601、X极化电压偏置线层701；

所述金属图案层101包括贴片111，所述X极化调控单元121和X极化调控单元122设置于贴片111上；

所述第一介质基板201上设置有贯穿的第一金属化通孔211，所述贴片111和所述金属地301通过第一金属化通孔211等电位连接；

所述X极化电压偏置线711集成在X极化电压偏置线层701上；

所述Y极化电压偏置线511集成在Y极化电压偏置线层501上。

作为一种优选方案，所述金属图案层101上还设置有第一焊盘131和第二焊盘132；所述Y极化调控单元121固定在贴片111和第一焊盘131中间；所述X极化调控单元122固定在贴片111和第二焊盘132中间。焊盘的引入能够更好的固定Y极化调控单元121以及X极化调控单元122。

在本申请的一个实施例中，如图9、如图10所示，所述第一介质基板201、第二介质基板401、第三介质基板601上设置有贯通的第二金属化通孔821，所述第二焊盘132通过第二金属化通孔821和X极化电压偏置线层701等电位相连。

在本申请的一个实施例中，所述第一介质基板201、第二介质基板401上设置有贯通的第三金属化通孔811，所述第一焊盘131通过第三金属化通孔811和Y极化电压偏置线511层501等电位相连。

在本申请的一个实施例中，所述贴片111包括圆形、方形、六边形、八边形中的一种或多种，可根据应用场景的不同进行选择。

如图5～7所示，本申请的一个实施例中提供了一种通过非规则子阵组成的16*16阵列，另外提供如图11所示的没有子阵的16*16阵列以及如图12所示的4元2*2规则子阵构成的16*16阵列作为对比例。

以超表面单元上选择变容二极管为例，当平面电磁波照射到超表面阵列上后，通过对X极化电压偏置线711加载不同电压，超表面单元可以对散射(或反射)电磁波的相位进行调节。

从图13可以看出，以3.7GHz频点为例，平面波垂直照射到超表面单元，电压从0V变化到20V时，散射(或反射)电磁波的相位从125°变化到-162°。当入射波照射到16*16超表面阵列时，每个子阵电磁波的反射相位是单独控制的，反射波因子阵反射相位的不同可以实现扫描或变换。

图14给出了入射波垂直照射到16*16超表面阵列时，无子阵结构、2*2规则子阵结构以及T形子阵和镜像L形非规则子阵构成下的超表面阵列的散射方向图。以X极化为例，无子阵结构下，单元间距在0.5λ左右，256个超表面单元电压/反射相位独立控制，散射方向图增益23dBi、最高旁瓣-20dB；2*2规则子阵下，子阵调相间距1λ，散射方向图在10°附近出现了非常明显的栅瓣，且增益下降较多，详见表1中的结果，而非规则子阵划分下打乱了阵列中子阵相位中心分布的周期性，从而消除阵因子的栅瓣，增益与无子阵结构相比仅有略微下降，在控制接口大量减小的前提下，达到了较好的技术效果。

表1不同阵列形态下指标对比(以X极化为例)

阵列类型	单元数量	控制接口数量	增益	旁瓣
					无子阵	256	256	23dBi@60°	-20dB
2*2规则子阵	256	64	10dBi@60°	更高栅瓣
					非规则子阵	256	64	20.5dBi@60°	-20dB

Claims (10)

1.一种超表面阵列，其特征在于，由若干个不同形状的超表面子阵组成；

所述超表面子阵由n个超表面单元组成，所述n为大于2的整数，所述超表面单元根据排列方式不同，可组成不同形状的超表面子阵，

所述超表面子阵经过90°，或180°，或270°的旋转，或镜像翻转后无法与原超表面子阵重合；

所述超表面单元上设置有X极化调控单元和Y极化调控单元，可实现双极化独立调控，所述X极化调控单元由X极化电压偏置线控制，所述Y极化调控单元由Y极化电压偏置线控制；

在所述的一个超表面子阵中，n个超表面单元中的X极化电压偏置线相连后共用第一电性出口，所述第一电性出口可控制超表面子阵中所有X极化调控单元的电压；

在所述的一个超表面子阵中，n个超表面单元中的Y极化电压偏置线相连共用第二电性出口，所述第二电性出口可控制超表面子阵中所有Y极化调控单元的电压。

2.根据权利要求1所述的超表面阵列，其特征在于：所述X极化调控单元和Y极化调控单元的类型一致，为PIN管或变容二极管中的一种。

3.根据权利要求1所述的超表面阵列，其特征在于：所述超表面阵列由两种不同形状的超表面子阵组成。

4.根据权利要求3所述的超表面阵列，其特征在于：所述超表面阵列由T形子阵和L形子阵组成，所述T形子阵和所述L形子阵为4元子阵，由4个超表面单元组成T形或L形。

5.根据权利要求1所述的超表面阵列，其特征在于：所述超表面子阵包括四元子阵、五元子阵、六元子阵、七元子阵、八元子阵中的一种或多种。

6.根据权利要求1~5任意一项所述的超表面阵列，其特征在于：所述超表面单元还包括沿着入射电磁波方向由上至下设置的，金属图案层、第一介质基板、金属地、第二介质基板、Y极化电压偏置线层、第三介质基板、X极化电压偏置线层；

所述金属图案层包括贴片，所述X极化调控单元和Y极化调控单元设置于贴片上；

所述第一介质基板上设置有贯穿的第一金属化通孔，所述贴片和所述金属地通过第一金属化通孔等电位连接；

所述X极化电压偏置线集成在X极化电压偏置线层上；

所述Y极化电压偏置线集成在Y极化电压偏置线层上。

7.根据权利要求6所述的超表面阵列，其特征在于：所述金属图案层上还设置有第一焊盘和第二焊盘；所述X极化调控单元固定在贴片和第一焊盘中间；所述Y极化调控单元固定在贴片和第二焊盘中间。

8.根据权利要求7所述的超表面阵列，其特征在于：所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板上设置有贯通的第二金属化通孔，所述第二焊盘通过第二金属化通孔和X极化电压偏置线层等电位相连。

9.根据权利要求7所述的超表面阵列，其特征在于：第一介质基板、第二介质基板上设置有贯通的第三金属化通孔，所述第一焊盘通过第三金属化通孔和Y极化电压偏置线层等电位相连。

10.根据权利要求6所述的超表面阵列，其特征在于：所述贴片的形状包括圆形、方形、六边形、八边形中的一种或多种。

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