CN116231325A - 一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列，电可调二相位电磁超表面单元包括：信号接收层、参考地平面层、耦合层与信号发射层；其中，所述信号发射层包括：第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片、第一PIN二极管与第二PIN二极管。本发明通过信号接收层接收电磁波信号，并通过耦合层与信号发射层耦合，由信号发射层对接收的电磁波信号进行相位调控可实现180°的附加相位梯度，总相移可达到180°，可以支持两种相位状态，提高了波束偏转的灵活性。另外，第一金属贴片或第二金属贴片与第三金属贴片连接构成的半圆形天线能够提高电磁超表面单元的工作带宽，使得电磁超表面单元可以覆盖整个Ka波段工作信道。

Description

一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及的是一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列。
背景技术
人工电磁超表面是人工设计的二维周期结构，具有可设计的电磁波反射和透射特性，对调控电磁波的传播特性有着重要的应用价值。将相同元胞单元横纵排列成阵列，即可构成电磁超材料阵列表面。可调人工电磁超表面根据动态施加的不同控制信号会对电磁波表现出不同的调控特性，能够实现波束赋形、平板聚焦等功能。透射型电磁超表面对透射过超表面的各个单元的电磁波信号进行调控，可在通信系统中充当非可再生中继，降低信号中转的复杂度，提高信号的指向性，提高通信效率。
传统的超表面阵列天线不具备电可调节功能，仍然需要借助机械结构，带动超表面阵列旋转，才能改变信号传播方向。其后，出现了电可调节的超表面阵列天线，使其无须借助机械结构就能改变信号传播方向，同时也能改变信号会聚的焦点，进一步增强了电可调节透射超表面阵列在无线通信领域内的重要地位。
现有的电可调节的透射超表面阵列主要工作在12GHz以下，而K频段的工作频段为18GHz－26GHz，单信道工作带宽为2GHz，Ka频段的工作频段为26GHz－40GHz，单信道工作带宽为3.5GHz。而现阶段已有的1－bit透射超表面单元的工作频率范围为27.0GHz－30.2GHz，带宽为3.2GHz。可见，已有的1－bit透射超表面单元带宽较小，无法完全覆盖单个Ka波段工作信道。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列，以及解决现有1－bit透射超表面单元因带宽较小而无法完全覆盖单个Ka波段工作信道的问题。
本发明的技术方案如下：
一种电可调二相位电磁超表面单元，其包括：信号接收层、参考地平面层、耦合层与信号发射层；其中，所述信号发射层包括：第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片、第一PIN二极管与第二PIN二极管；
所述第一PIN二极管连接在所述第一金属贴片与所述第三金属贴片之间，所述第二PIN二极管连接在所述第二金属贴片与所述第三金属贴片之间；其中，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片为半圆形的金属贴片；所述第三金属贴片为圆形金属贴片；
所述信号接收层与所述参考地平面层连接，并经所述耦合层与所述第三金属贴片连接，用于接收电磁波信号并经所述耦合层传递至所述信号发射层；
所述耦合层与所述第一PIN二极管以及所述第二PIN二极管连接，用于控制所述第一PIN二极管与所述第二PIN二极管的导通与关断；
当所述第一PIN二极管关断，所述第二PIN二极管导通时，所述信号发射层出射的电磁波信号的相位为0°；当所述第一PIN二极管导通，所述第二PIN二极管关断时，所述信号发射层对接收的电磁波信号施加180°相移。
本发明的进一步设置，所述第一PIN二极管与所述第二PIN二极管在所述耦合层提供的偏置电压的控制下交替导通。
本发明的进一步设置，所述信号接收层包括：信号接收贴片、第一介质板、第一粘接板与辅助连接线；
所述信号接收贴片设置在所述第一介质板的上表面；
所述辅助连接线设置在所述第一粘接板的底面；
其中，所述第一介质板上设置有第一连接孔，所述第一粘接板与所述第一连接孔对应的位置设置有第二连接孔，所述信号接收贴片通过所述第一连接孔、所述第二连接孔与所述参考地平面层连接；
所述辅助连接线的两端分别与所述参考地平面层连接。
本发明的进一步设置，所述参考地平面层包括：第二介质板与金属地平面层；
所述金属地平面层设置在所述第二介质板的底面；
所述第二介质板与所述第一粘接板连接；
其中，所述第二介质板与所述第二连接孔对应的位置设置有第三连接孔；
所述第二介质板与所述辅助连接线的两端对应的位置还设置有第四连接孔与第五连接孔，所述辅助连接线通过所述第四连接孔与所述第五连接孔与所述金属地平面层连接。
本发明的进一步设置，所述耦合层包括：第二粘接板与偏置电路层；其中，
所述第二粘接板连接在所述参考地平面层与所述信号发射层之间；所述第二粘接板与所述第三连接孔对应的位置设置有第六连接孔；
所述偏置电路层与设置在所述第二粘接板的底面，并分别与所述第一金属贴片以及所述第二金属贴片连接。
本发明的进一步设置，所述信号发射层还包括：第三介质板；
所述第三介质板与所述第二粘接板连接；
所述第一金属贴片、所述第二金属贴片与所述第三金属贴片均设置在所述第三介质板的底面；
其中，所述第三介质板上设置有第七连接孔、第八连接孔与第九连接孔；所述第一金属贴片通过所述第八连接孔与所述偏置电路层连接；所述第二金属贴片通过所述第九连接孔与所述偏置电路层连接；所述第三金属贴片通过所述第七连接孔与所述参考地平面层连接。
本发明的进一步设置，所述偏置电路层包括：第四金属贴片、第五金属贴片与导线；其中，
所述第四金属贴片与所述第一金属贴片连接，所述第五金属贴片与所述第二金属贴片连接；
所述导线分别与所述第四金属贴片以及所述第五金属贴片连接，并朝向所述第二粘接板的边沿延伸。
本发明的进一步设置，所述信号接收贴片呈E型结构。
本发明的进一步设置，所述信号接收贴片、所述第一金属贴片、所述第二金属贴片与所述第三金属贴片均为铜材料制成的金属贴片。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种电可调二相位电磁超表面阵列，其包括如上述所述的电可调二相位电磁超表面单元。
本发明所提供的一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列，电可调二相位电磁超表面单元包括：信号接收层、参考地平面层、耦合层与信号发射层；其中，所述信号发射层包括：第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片、第一PIN二极管与第二PIN二极管；所述第一PIN二极管连接在所述第一金属贴片与所述第三金属贴片之间，所述第二PIN二极管连接在所述第二金属贴片与所述第三金属贴片之间；其中，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片为半圆形的金属贴片，所述第三金属贴片为圆形金属贴片；所述信号接收层与所述参考地平面层连接，并经所述耦合层与所述第三金属贴片连接，用于接收电磁波信号并经所述耦合层传递至所述信号发射层；所述耦合层与所述第一PIN二极管以及所述第二PIN二极管连接，用于控制所述第一PIN二极管与所述第二PIN二极管的导通与关断；当所述第一PIN二极管关断，所述第二PIN二极管导通时，所述信号发射层出射的电磁波信号的相位为0°；当所述第一PIN二极管导通，所述第二PIN二极管关断时，所述信号发射层对接收的电磁波信号施加180°相移。本发明通过信号接收层接收电磁波信号，并通过耦合层与信号发射层耦合，由信号发射层对接收的电磁波信号进行相位调控可实现180°的附加相位梯度，总相移可达到180°，可以支持两种相位状态，提高了波束偏转的灵活性。且所述第一金属贴片与所述第三金属贴片连接或所述第二金属贴片与所述第三金属贴片连接构成的半圆形天线能够提高电磁超表面单元的工作带宽，使得电磁超表面单元可以覆盖整个Ka波段工作信道。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明中电可调二相位电磁超表面单元的整体结构示意图。
图2是本发明中电可调二相位电磁超表面单元的分解图。
图3是本发明一个实施例中电可调二相位电磁超表面单元S21透射系数图。
图4是本发明一个实施例中电可调二相电磁超表面的波束赋形偏转结果图。
图5是本发明中信号接收贴片的结构示意图。
图6是本发明中辅助走线的结构示意图。
图7是本发明中第二介质板的结构示意图。
图8是本发明中偏置电路层的结构示意图。
图9是本发明中信号发射层的接收示意图。
图10是本发明中第三介质板的结构示意图。
附图中各标记：1、信号接收层；11、信号接收贴片；12、第一介质板；13、第一粘接板；14、辅助连接线；2、参考地平面层；21、第二介质板；211、第三连接孔；212、第四连接孔；213、第五连接孔；22、金属地平面层；3、耦合层；31、第二粘接板；311、第六连接孔；32、偏置电路层；321、第四金属贴片；322、第五金属贴片；323、导线；4、信号发射层；41、第一金属贴片；42、第二金属贴片；43、第三金属贴片；44、第一PIN二极管；45、第二PIN二极管；46、第三介质板；461、第七连接孔；462、第八连接孔；463、第九连接孔。
具体实施方式
本发明提供一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
经发明人研究发现，为了最大限度提高透射超表面的通信性能，需要提高超表面中电磁超表面单元的透射带宽，降低元胞单元对透射信号调控的相位误差。此外，还要保证电磁超表面单元的相位调控的灵活性，以加强波束调控的灵活性。元胞单元边长尺寸也应满足一定的条件，否则无法进行波束调控。最后则是元胞单元的可制造性问题，满足一定精度要求的电磁超表面单元才能满足通信系统的工作频率等要求。
自由空间中的无源中继，通常采用金属抛物面天线对信号进行准直或聚焦。金属抛物面天线对电磁波信号损耗小，但是体积大，且结构固定，一旦设计定型，其准直或者聚焦的方向就会固定，需要借助机械结构旋转才能改变信号的传播方向，且难以改变信号会聚的焦点。
超表面阵列天线，通过采用多层不同的谐振结构，对电磁波信号叠加附加相位，获得平板聚焦的特性，极大地减小了超表面阵列天线的体积。现有的电可调节的透射超表面阵列主要工作在12GHz以下，而K频段的工作频段为18GHz－26GHz，单信道工作带宽为2GHz，Ka频段的工作频段为26GHz－40GHz，单信道工作带宽为3.5GHz。而现阶段已有的1－bit透射超表面单元的工作频率范围为27.0GHz－30.2GHz，带宽为3.2GHz。可见，已有的1－bit透射超表面单元带宽较小，无法完全覆盖单个Ka波段工作信道，难以满足无线通讯系统的发展要求，尤其难以满足5G+及未来6G的通信应用需求。同时，电可控透射超表面单元在集成为阵列时，需要对超表面上集成的有源器件进行电控。在高频段，电磁超表面单元的尺寸一般是亚波长，密集的有源器件和复杂的控制电路会对超表面的设计带来巨大挑战，这也限制了高频超表面的发展。
针对上述技术问题，本发明提供了一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列，电可调二相位电磁超表面单元，其包括：信号接收层、参考地平面层、耦合层与信号发射层；其中，所述信号发射层包括：第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片、第一PIN二极管与第二PIN二极管；所述第一PIN二极管连接在所述第一金属贴片与所述第三金属贴片之间，所述第二PIN二极管连接在所述第二金属贴片与所述第三金属贴片之间；其中，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片为半圆形的金属贴片，所述第三金属贴片为圆形金属贴片；所述信号接收层与所述参考地平面层连接，并经所述耦合层与所述第三金属贴片连接，用于接收电磁波信号并经所述耦合层传递至所述信号发射层；所述耦合层与所述第一PIN二极管以及所述第二PIN二极管连接，用于控制所述第一PIN二极管与所述第二PIN二极管的导通与关断；当所述第一PIN二极管关断，所述第二PIN二极管导通时，所述信号发射层出射的电磁波信号的相位为0°；当所述第一PIN二极管导通，所述第二PIN二极管关断时，所述信号发射层对接收的电磁波信号施加180°相移。本发明通过信号接收层接收电磁波信号，并通过耦合层与信号发射层耦合，由信号发射层对接收的电磁波信号进行相位调控可实现180°的附加相位梯度，总相移可达到180°，可以支持两种相位状态，提高了波束偏转的灵活性。且所述第一金属贴片与所述第三金属贴片连接或所述第二金属贴片与所述第三金属贴片连接构成的半圆形天线能够提高电磁超表面单元的工作带宽，使得电磁超表面单元可以覆盖整个Ka波段工作信道。并且，本发明单个电磁超表面单元仅采用两根PIN二极管，有效降低了超表面的制作成本，工作时仅有一个PIN二极管导通，有效降低了电磁超表面的直流功率。
请同时参阅图1至图10，本发明提供了一种电可调二相位电磁超表面单元的较佳实施例。
如图1与图2所示，本发明提供的一种电可调二相位电磁超表面单元，其包括：信号接收层1、参考地平面层2、耦合层3与信号发射层4。其中，所述信号发射层4包括：第一金属贴片41、第二金属贴片42、第三金属贴片43、第一PIN二极管44与第二PIN二极管45；所述第一PIN二极管44连接在所述第一金属贴片41与所述第三金属贴片43之间，所述第二PIN二极管45连接在所述第二金属贴片42与所述第三金属贴片43之间；所述第一金属贴片41与所述第二金属贴片42为半圆形的金属贴片；所述第三金属贴片43为圆形金属贴片；所述信号接收层1与所述参考地平面层2连接，并经所述耦合层3与所述第三金属贴片43连接，用于接收电磁波信号并经所述耦合层3传递至所述信号发射层4；所述耦合层3与所述第一PIN二极管44以及所述第二PIN二极管45连接，用于控制所述第一PIN二极管44与所述第二PIN二极管45的导通与关断；当所述第一PIN二极管44关断，所述第二PIN二极管45导通时，所述信号发射层4出射的电磁波信号的相位为0°；当所述第一PIN二极管44导通，所述第二PIN二极管45关断时，所述信号发射层4对接收的电磁波信号施加180°相移。
具体地，所述信号接收层1、所述参考地平面层2、所述耦合层3与所述信号发射层4依次叠加设置。所述信号接收层1主要负责接收电磁波信号，所述耦合层3为所述信号发射层4提供偏置电压，所述参考地平面层2为所述耦合层3提供参考零点，并将所述信号接收层1与所述信号发射层4隔离开。
所述第一金属贴片41与所述第二金属贴片42为半圆形贴片，所述第三金属贴片43为圆形贴片，所述第三金属贴片43用于馈送电磁波信号。所述第一金属贴片41通过所述第一PIN二极管44与所述第三金属贴片43相连接后构成可电调控的半圆形天线，所述第二金属贴片42通过所述第二PIN二极管45与所述第三金属贴片43相连接后构成可电调控的半圆形天线。半圆形天线具有117％的分数带宽，能够显著增大电磁超表面单元的工作带宽。
请结合图9，当所述耦合层3给所述第一金属贴片41与所述第二金属贴片42提供1.3V偏置电压时，所述第一PIN二极管44关断，所述第二PIN二极管45导通，此时所述第二金属贴片42与所述第三金属贴片43相连，所述信号发射层4不会为电磁波信号附加额外相位，出射电磁波信号的相位为0°，定义为信号发射层4状态0。当所述耦合层3给所述第一金属贴片41与所述第二金属贴片42施加－1.3V偏置电压时，所述第一PIN二极管44导通，所述第二PIN二极管45关断，此时所述第一金属贴片41与所述第三金属贴片43连通，所述信号发射层4为电磁波信号施加180°相移，定义为信号发射层4状态1。
可见，本发明通过所述耦合层3控制所述信号发射层4上的第一PIN二极管44与第二PIN二极管45的导通和关断，总相移可达到180°，可以支持0°和180°两种相位状态，分别对应“0”和“1”两种不同的状态，通过控制编码序列可实现180°的附加相位梯度，可实现电磁波波束的定向调控，提高了波束偏转的灵活性。并且，采用所述第一金属贴片41与所述第三金属贴片43连接或所述第二金属贴片42与所述第三金属贴片43连接构成的半圆形天线能够提高电磁超表面单元的工作带宽，使得电磁超表面单元可以覆盖整个Ka波段工作信道，为满足无线通讯系统的发展要求，尤其满足5G+及未来6G的通信应用需求提供了条件。
如图3所示，图3为电可调二相位电磁超表面单元S21透射系数图(图3中a为电磁波信号在相位为0°与180°的幅度曲线图，b为电磁波信号在相位为0°与180°的相位曲线图，c为电磁波信号在180°相位与在相位为0°的相位差值曲线图)，由图3可知，集成该底层180°可电调相移超表面结构的1－bit电磁超表面单元的－3dB透射带宽为7.95GHz，其工作频段为22.08GHz－30.03GHz。现阶段已有的1bit透射超表面元胞单元的工作带宽为3.2GHz，其工作频段为27.0GHz－30.2GHz。相比之下，本发明的1bit透射超表面单元工作带宽增加了148％，增益效果明显。比起已有的1bit透射超表面元胞单元不能覆盖单个Ka波段工作信道，本发明的单元工作带宽能够完全覆盖单个Ka波段工作信道，且也可工作于K波段。本发明单个电磁超表面单元仅采用两根PIN二极管，有效降低了超表面的制作成本，工作时仅有一个PIN二极管导通，有效降低了电磁超表面的直流功率。
请参阅图4，图4为电可调二相位电磁超表面的波束赋形偏转结果图，图4展示了180°电可调电磁超表面单元构成的14乘14的阵列的波束偏转效果，由图4可知，该电磁超表面阵列能够实现波束赋形的功能，且能够将平面电磁波的传播方向做任意角度的偏转。
请参阅图1、图2、图5与图6，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述信号接收层1包括：信号接收贴片11、第一介质板12、第一粘接板13与辅助连接线14。所述信号接收贴片11设置在所述第一介质板12的上表面；所述辅助连接线14设置在所述第一粘接板13的底面；其中，所述第一介质板12上设置有第一连接孔(图中未标出)，所述第一粘接板13与所述第一连接孔对应的位置设置有第二连接孔(图中未标出)，所述信号接收贴片11通过所述第一连接孔、所述第二连接孔与所述参考地平面层2连接；所述辅助连接线14的两端分别与所述参考地平面层2连接。
具体地，所述信号接收贴片11为E型金属贴片，作为接收天线接收电磁波信号，具有27％的分数带宽。在一种实现方式中，所述信号接收贴片11的厚度可以取值为0.0175mm。所述第一介质板12为Rogers RT6002材料制成，厚度为0.254mm。所述第一粘接板13由Taconic FR28材料制成，厚度为0.114mm。所述信号接收贴片11与所述参考地平面层2连接。所述辅助连接线14采用细长的连接线连接至所述第一粘接板13边缘并与所述参考地平面层2连接，使得所述辅助连接线14的等效电感最大，以阻止高频信号泄露至所述参考地平面层2。在一种实现方式中，所述辅助走线可以采用铜材料，厚度可以设置为0.0175mm。
请参阅图2与图7，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述参考地平面层2包括：第二介质板21与金属地平面层22；所述金属地平面层22设置在所述第二介质板21的底面；所述第二介质板21与所述第一粘接板13连接；其中，所述第二介质板21与所述第二连接孔对应的位置设置有第三连接孔211；所述第二介质板21与所述辅助连接线14的两端对应的位置还设置有第四连接孔212与第五连接孔213，所述辅助连接线14通过所述第四连接孔212与所述第五连接孔213与所述金属地平面层22连接。
具体地，所述第二介质板21由Rogers RT6002材料制成，厚度为0.254mm。所述金属地平面层22为一块与所述第二介质板21的面积大小基本一致的金属平面贴片。所述第二介质板21与所述第一粘接板13连接在一起之后，所述信号接收贴片11通过所述第三连接孔211与所述金属地平面层22连接，所述辅助连接线14通过所述第四连接孔212与所述第五连接孔213与所述金属地平面层22连接。
请参阅图1、图2与图8，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述耦合层3包括：第二粘接板31与偏置电路层32。其中，所述第二粘接板31连接在所述参考地平面层2与所述信号发射层4之间；所述第二粘接板31与所述第三连接孔211对应的位置设置有第六连接孔311；所述偏置电路层32与设置在所述第二粘接板31的底面，并分别与所述第一金属贴片41以及所述第二金属贴片42连接。
具体地，所述偏置电路层32设置在所述第二粘接板31与所述信号发射层4之间，所述信号发射层4与所述参考地平面层2通过所述第二粘接板31连接固定。所述信号接收贴片11、所述第一金属贴片41、所述第二金属贴片42与所述第三金属贴片43均为铜材料制成的金属贴片。所述偏置电路层32与所述第一金属贴片41以及所述第二金属贴片42连接，能够提供偏置电压以控制所述第一PIN二极管44关断、所述第二PIN二极管45导通或者控制所述第一PIN二极管44导通、所述第二PIN二极管45关断，从而交替控制所述第一金属贴片41与所述第二金属贴片42与所述第三金属贴片43导通，以实现电磁波信号附加0°或180°相移。另外，所述信号接收层1与所述信号发射层4以不同的结构分别作为接收端和发射端，两者互不干扰，通过所述偏置电路耦合，可以实现性能最优。与传统的多层相同的结构相比，可以扩展带宽，减少通带衰减。在一种实现方式中，所述第一金属贴片41与所述第二金属贴片42的厚度可以设置为0.0175mm。
请参阅图8，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述偏置电路层32包括：第四金属贴片321、第五金属贴片322与导线323。其中，所述第四金属贴片321与所述第一金属贴片41连接，所述第五金属贴片322与所述第二金属贴片42连接；所述导线323分别与所述第四金属贴片321以及所述第五金属贴片322连接，并朝向所述第二粘接板31的边沿延伸。
具体地，所述第四金属贴片321与所述第五金属贴片322为面积较大的金属贴片，所述第四金属贴片321与所述第五金属贴片322的等效电路为电容，作为发射端(信号接收层1)到接收端(信号发射层4)的耦合电容，阻抗较大，降低了整个电磁超表面单元的传输阻抗。所述导线323为细长的导线323，并从所述第四金属贴片321与所述第五金属贴片322朝向所述第二粘接板31的边沿延伸，所述导线323设置为细长状，阻抗较大，可以阻止高频信号沿所述导线323泄露。
请参阅图2与图10，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述信号发射层4还包括：第三介质板46；所述第三介质板46与所述第二粘接板31连接；所述第一金属贴片41、所述第二金属贴片42与所述第三金属贴片43均设置在所述第三介质板46的底面。其中，所述第三介质板46上设置有第七连接孔461、第八连接孔462与第九连接孔463；所述第一金属贴片41通过所述第八连接孔462与所述偏置电路层32连接；所述第二金属贴片42通过所述第九连接孔463与所述偏置电路层32连接；所述第三金属贴片43通过所述第七连接孔461与所述参考地平面层2连接。
具体地，所述第三介质板46由Rogers RT6002材料制成，厚度为0.508mm。所述第一金属贴片41、所述第二金属贴片42与所述第三金属贴片43均设置在所述第三介质板46的底面。所述第三介质板46的中心位置设置有第七连接孔461，所述第三金属贴片43通过连接柱(图中未标出)穿过所述第七连接孔461与所述参考地平面层2连接。
因电磁超表面单元的边长尺寸也应满足一定的条件，否则无法进行波束调控。以下提供了电磁超表面单元的具体结构尺寸，如下表所示：
p＝5.30 W＝3.60 L＝2.90 W1＝0.90 W2＝0.90
W3＝1.00 L1＝2.20 L2＝1.90 L3＝1.65 L4＝0.95
L-GND＝2.125 dv＝0.20 dv_outp＝0.30 db＝0.15 db_outp＝0.25
dp＝0.40 Lc＝0.40 Wc＝2.40 Lvia＝0.90 gapL＝1.00
Lcap＝1.35 Wb＝0.10 Rout＝2.50 Rin＝0.40 g1＝0.20
pinx＝0.368 piny＝0.686 pinz＝0.190
其中，P表示第一金属贴片的直径，W、L、W2、W3、L1、L2、L3、L4表示信号接收贴片的各个尺寸，L－GND表示辅助走线的一端的长度、dv表示第二连接孔的内径、dv＿outp表示第二连接孔的外径、db表示第四连接孔的内径、db＿outp表示第四连接孔的外径，dp表示第三连接孔的外径，Lc表示第四金属贴片的宽度，Wc表示第四金属贴片的长度，Lvia表示第五金属贴片与第六连接孔之间的距离，gapL表示导线与第二粘接板边缘的距离，Lcap表示第五金属贴片与第二粘接板边缘的距离，Wb表示导线的宽度，Rout表示第一金属贴片和第二金属贴片的半径，Rin表示第三金属贴片的半径，g1表示第一金属贴片与第二金属贴片之间的距离，其中pinx、piny、pinz为所使用的高频砷化镓Pin管MADP－000907的仿真所用尺寸，如图4－图9所示。
需要说明的是，本发明工作在Ka波段和K波段，其结构尺寸按照等比例放大缩小后也可工作在其他频段，因此本发明中提出的该电磁超表面结构，对在工作在其他频段的超材料单元具有同样的有益效果。
在一些实施例中，本发明还提供了一种电可调二相位电磁超表面阵列，其包括如上述所述的电可调二相位电磁超表面单元，所述电可调二相位电磁超表面单元沿横纵向阵列设置。所述电可调二相位电磁超表面单元具体如一种电可调二相位电磁超表面单元的实施例所述，在此不再赘述。
综上所述，本发明所提供的一种电可调二相位电磁超表面单元及阵列，具有以下有益效果：
通过信号接收层接收电磁波信号，并通过耦合层与信号发射层耦合，由信号发射层对接收的电磁波信号进行相位调控可实现180°的附加相位梯度，总相移可达到180°，可以支持两种相位状态，提高了波束偏转的灵活性；
第一金属贴片与第三金属贴片连接或第二金属贴片与第三金属贴片连接构成的半圆形天线能够提高电磁超表面单元的工作带宽，使得电磁超表面单元可以覆盖整个Ka波段工作信道；
单个电磁超表面单元仅采用两根PIN二极管，集成复杂度降低，简化了结构，对电路板的制造工艺要求降低，有效降低了电磁超表面单元的制作成本，可制造性得到改善，工作时仅有一个PIN二极管导通，有效降低了电磁超表面单元的直流功率；
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电可调二相位电磁超表面单元，其特征在于，包括：信号接收层、参考地平面层、耦合层与信号发射层；其中，所述信号发射层包括：第一金属贴片、第二金属贴片、第三金属贴片、第一PIN二极管与第二PIN二极管；
所述第一PIN二极管连接在所述第一金属贴片与所述第三金属贴片之间，所述第二PIN二极管连接在所述第二金属贴片与所述第三金属贴片之间；其中，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片为半圆形的金属贴片，所述第三金属贴片为圆形金属贴片；
所述信号接收层与所述参考地平面层连接，并经所述耦合层与所述第三金属贴片连接，用于接收电磁波信号并经所述耦合层传递至所述信号发射层；
所述耦合层与所述第一PIN二极管以及所述第二PIN二极管连接，用于控制所述第一PIN二极管与所述第二PIN二极管的导通与关断；
当所述第一PIN二极管关断，所述第二PIN二极管导通时，所述信号发射层出射的电磁波信号的相位为0°；当所述第一PIN二极管导通，所述第二PIN二极管关断时，所述信号发射层对接收的电磁波信号施加180°相移。
2.根据权利要求1所述的电可调二相位电磁超表面单元，其特征在于，所述第一PIN二极管与所述第二PIN二极管在所述耦合层提供的偏置电压的控制下交替导通。
3.根据权利要求1所述的电可调二相位电磁超表面单元，其特征在于，所述信号接收层包括：信号接收贴片、第一介质板、第一粘接板与辅助连接线；
所述信号接收贴片设置在所述第一介质板的上表面；
所述辅助连接线设置在所述第一粘接板的底面；
其中，所述第一介质板上设置有第一连接孔，所述第一粘接板与所述第一连接孔对应的位置设置有第二连接孔，所述信号接收贴片通过所述第一连接孔、所述第二连接孔与所述参考地平面层连接；
所述辅助连接线的两端分别与所述参考地平面层连接。
4.根据权利要求3所述的电可调二相位电磁超表面单元，其特征在于，所述参考地平面层包括：第二介质板与金属地平面层；
所述金属地平面层设置在所述第二介质板的底面；
所述第二介质板与所述第一粘接板连接；
其中，所述第二介质板与所述第二连接孔对应的位置设置有第三连接孔；
所述第二介质板与所述辅助连接线的两端对应的位置还设置有第四连接孔与第五连接孔，所述辅助连接线通过所述第四连接孔与所述第五连接孔与所述金属地平面层连接。
5.根据权利要求4所述的电可调二相位电磁超表面单元，其特征在于，所述耦合层包括：第二粘接板与偏置电路层；其中，
所述第二粘接板连接在所述参考地平面层与所述信号发射层之间；所述第二粘接板与所述第三连接孔对应的位置设置有第六连接孔；
所述偏置电路层与设置在所述第二粘接板的底面，并分别与所述第一金属贴片以及所述第二金属贴片连接。
6.根据权利要求5所述的电可调二相位电磁超表面单元，其特征在于，所述信号发射层还包括：第三介质板；
所述第三介质板与所述第二粘接板连接；
所述第一金属贴片、所述第二金属贴片与所述第三金属贴片均设置在所述第三介质板的底面；
其中，所述第三介质板上设置有第七连接孔、第八连接孔与第九连接孔；所述第一金属贴片通过所述第八连接孔与所述偏置电路层连接；所述第二金属贴片通过所述第九连接孔与所述偏置电路层连接；所述第三金属贴片通过所述第七连接孔与所述参考地平面层连接。
7.根据权利要求5所述的电可调二相位电磁超表面单元，其特征在于，所述偏置电路层包括：第四金属贴片、第五金属贴片与导线；其中，
所述第四金属贴片与所述第一金属贴片连接，所述第五金属贴片与所述第二金属贴片连接；
所述导线分别与所述第四金属贴片以及所述第五金属贴片连接，并朝向所述第二粘接板的边沿延伸。
8.根据权利要求3所述的电可调二相位电磁超表面单元，其特征在于，所述信号接收贴片呈E型结构。
9.根据权利要求3所述的电可调二相位电磁超表面单元，其特征在于，所述信号接收贴片、所述第一金属贴片、所述第二金属贴片与所述第三金属贴片均为铜材料制成的金属贴片。
10.一种电可调二相位电磁超表面阵列，其特征在于，包括如权利要求1—9任一项所述的电可调二相位电磁超表面单元。
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