CN116315711B - 一种宽带电控可重构圆极化反射超表面单元及结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于圆极化波前调控的宽频带电控可重构反射超表面单元，包括有上层介质基板、中层金属地板和下层介质基板，上层介质基板、中层金属地板和下层介质基板由上至下依次贴合连接；上层介质基板的上表面设置有第一金属贴片和弧形的第二金属贴片，第一金属贴片和第二金属贴片围成圆形，第一金属贴片与第二金属贴片的相邻的两端分别通过第一二极管和第二二极管连接，通过控制第一二极管和第二二极管的通断状态，可重构反射超表面单元；本发明实现了对单元共极化的圆极化反射相位的动态操控，具有较宽的工作带宽，较低的剖面与较小的单元尺寸，且制造成本低、易于控制等优势。

Description

一种宽带电控可重构圆极化反射超表面单元及结构
技术领域
本发明涉及电磁波相位调控技术领域，具体为一种宽带电控可重构圆极化反射超表面单元及结构。
背景技术
圆极化波束是电磁波通信中的重要组成部分。在日常的应用中，圆极化电磁波在较复杂的通信环境中有重要的应用。例如，在远距离卫星通信。对于普通的线极化波束通讯，需要接收端和发射端具有相同的极化特性才能保障信号的有效接收，这一需要导致线极化波束通讯在复杂的通讯环境中性能受限。而圆极化波束通讯则可以有效的解决这一问题，当发射端使用圆极化波束时，这一信号可以被任意极化的接收端接收，作为接收端时则可以接收任意极化的波束。圆极化波的这一特性可以有效的应对多径效应带来的信号干扰，同时对于接收器的方向不敏感也使得圆极化波可以更稳定的被接收器接收，从而提高了通信的效率。与自然界中的传统材料相比，超表面并不局限于其组成材料的固有属性。例如，传统光学透镜的相位操纵依赖于玻璃的空间梯度厚度。与之相比，超表面可以在自由空间和超表面之间的界面上产生一个突变的相位差，这是因为他们能够灵活地操纵等效的透过率和渗透率。此外，超表面还有一些优点，如低剖面，易于制造和低成本。已经报道的圆极化波束调控超表面大多数是无源超表面，有圆极化波束调控功能，但一经加工只能表现为单一的波束状态，而目前报道的动态的圆极化波束调控超表面有的是使用体积大旋转速度慢的微电机，有的是使用昂贵的液态金属，还有的虽然使用PIN二极管实现了圆极化波束的控制，但是结构复杂使用了大量的PIN二极管，且工作带宽有限。
发明内容
本发明的第一个目的就是提供一种宽带电控可重构圆极化反射超表面单元及结构，它实现了对单元圆极化反射相位的动态操控。
本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有上层介质基板、中层金属地板和下层介质基板，上层介质基板、中层金属地板和下层介质基板由上至下依次贴合连接；
上层介质基板的上表面设置有第一金属贴片和弧形的第二金属贴片，第一金属贴片和第二金属贴片围成圆形，第一金属贴片与第二金属贴片的相邻的两端分别通过第一二极管和第二二极管连接，通过控制第一二极管和第二二极管的通断状态，可重构反射超表面单元；
中层金属地板上设置有通孔；
下层介质基板的下表面设置有一端连接电源导线的金属偏置线，金属偏置线四分之一波长处加载了一个半径为四分之一波长，夹角为90°的扇形的开路枝节，用于隔离金属偏置线上的射频信号避免其影响直流源；
第一金属柱的一端与第一金属贴片连接，另一端与中层金属地板连接，等效于结构接地；
第二金属柱的一端与第二金属贴片连接，另一端不接触的穿过通孔，与金属偏置线远离电源导线的一端连接。
进一步，上层介质基板与下层介质基板均为正方形，且均为F4B基板。
进一步，第一二极管和第二二极管的型号均为MADP-000907-14020x。
进一步，上层介质基板、中层金属地板和下层介质基板通过FR28固化片进行粘合。
进一步，所述第一金属贴片和第二金属贴片的中心线均与上层介质基板的对角线重合，且均关于上层介质基板的对角线对称设计；第一二极管和第二二极管的朝向均为逆时针摆放。
进一步，所述第一金属贴片包括有第一弧段，第一弧段的内侧中心位置处开设有矩形槽口，矩形槽口的中心位置处连接有第一矩形段的一端，第一矩形段将矩形槽口等间距的分隔为第一开口和第二开口，第一矩形段的另一端伸至第一弧段的圆心位置；
所述第一金属贴片还包括有第二弧段，第二弧段位于第一弧段内，且与第一弧段的圆心重合，第一矩形段由第二弧段开口的中间位置伸入第二弧段内；第二弧段的端部连接有第一连接段和第二连接段的一段，第一连接段和第二连接段关于第二弧段的中心线对称设计，第一连接段和第二连接段的另一端与第二弧段的内壁连接。
进一步，所述第二金属贴片包括有第三弧段，第三弧段的内侧中心位置处连接有第四弧段的外侧，第四弧段与第二弧段等间距平行设计；
第三弧段的外侧中心位置处连接有第二矩形段的一侧，第二矩形段的另一侧连接有第三矩形段的一侧。
本发明的第二个目的就是提供一种宽带电控可重构圆极化反射超表面结构。
本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有n×n个超表面单元，上层介质基板上设置的第一金属贴片和弧形的第二金属贴片围成圆形结构，形成n行×n列的等间距阵列；
若干超表面单元的中层金属地板相互连接成一体化设计；
所述电源导线首尾相连形成n条，汇总至金属焊盘用于焊接电压源馈线。
进一步，所述超表面结构包括有8×8个超表面单元。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明实现了对单元圆极化反射相位的动态操控，从而通过不同的阵面相位状态分布对圆极化波束的指向性进行了动态的操控，除此之外，本发明具有较宽的工作带宽，较低的剖面与较小的单元尺寸，且制造成本低、易于控制等优势。基于上述优点，本发明在卫星通讯、智能反射表面等方面均有着潜在的应用前景。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为上基板顶层、上基板下层和下基板下层结构的平面图。
图2为超表面结构的侧视图。
图3为超表面单元的立体结构示意图。
图4为超表面单元的俯视图。
图5为超表面单元的在二极管状态分别为state1与state2时，在右旋圆极化入射波，沿-Z方向，的交叉极化反射幅值与共极化反射幅值曲线。
图6为超表面单元的在二极管状态分别为state1与state2时，在右旋圆极化入射波，沿-Z方向，的相位曲线与相位差值。
图7为超表面单元的在二极管状态分别为state1与state2时，在X极化入射波与Y极化入射波，沿-Z方向，单独入射时的共极化波反射幅值的曲线，与共极化波反射相位差值的曲线。
图8为超表面单元的在3个频点下对应不同阵列分布状态下的仿真与测试增益图。
图中：1.上层介质基板；
1-1.第一金属贴片；
1-11.第一弧段；1-12.第一矩形段；1-13.第一开口；1-14.第二开口；1-15.第二弧段；1-16.第一连接段；1-17.第二连接段；
1-2.第二金属贴片；
1-21.第三弧段；1-22.第四弧段；1-23.第三矩形段；1-24.第二矩形段；
1-3.第二金属柱；
1-4.第一金属柱；
2.中层金属地板；
3.下层介质基板；3-1.金属偏置线；3-2.开路枝节；3-3.电源导线；
PIN1.第一二极管；PIN2.第二二极管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“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。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实施例中的具体含义。
如图1、图2、图3所示，一种宽带电控可重构圆极化反射超表面结构，其特征在于，所述超表面结构包括有8×8个超表面单元，上层介质基板1上设置的第一金属贴片1-1和弧形的第二金属贴片1-2围成圆形结构，形成8行×8列的等间距阵列；
若干超表面单元的中层金属地板2相互连接成一体化设计；
所述电源导线3-3首尾相连形成8条，汇总至一个边长为3mm的方形金属焊盘上用于焊接电压源馈线。
超表面单元包括有上层介质基板1、中层金属地板2和下层介质基板3，上层介质基板1、中层金属地板2和下层介质基板3由上至下依次贴合连接；
上层介质基板1的上表面设置有第一金属贴片1-1和弧形的第二金属贴片1-2，第一金属贴片1-1和第二金属贴片1-2围成圆形，第一金属贴片1-1与第二金属贴片1-2的相邻的两端分别通过第一二极管PIN1和第二二极管PIN2连接，通过控制第一二极管PIN1和第二二极管PIN2的通断状态，可重构反射超表面单元；
中层金属地板2上设置有0.2mm的通孔；
下层介质基板3的下表面设置有一端连接电源导线3-3的金属偏置线3-1，金属偏置线3-1四分之一波长处加载了一个半径为四分之一波长，夹角为90°的扇形的开路枝节3-2，用于隔离金属偏置线3-1上的射频信号避免其影响直流源；
第一金属柱1-4的一端与第一金属贴片1-1连接，另一端与中层金属地板2连接，等效于结构接地；
第二金属柱1-3的一端与第二金属贴片1-2连接，另一端不接触的穿过通孔，与金属偏置线3-1远离电源导线3-3的一端连接。
如图3所示，所述第一金属贴片1-1和第二金属贴片1-2的中心线均与上层介质基板1的对角线重合，且均关于上层介质基板1的对角线对称设计；第一二极管PIN1和第二二极管PIN2的朝向均为逆时针摆放。通过控制电源导线3-3的电压实现对两个二极管的截止于导通状态切换；即当电压为正1.35v时下方第二二极管PIN2导通，而左侧第一二极管PIN1截止，此时为state1，当电压为负1.35v时下方第二二极管截止，而左侧第一二极管导通，此时为state2。
所述第一金属贴片1-1包括有第一弧段1-11，第一弧段1-11的内侧中心位置处开设有矩形槽口，矩形槽口的中心位置处连接有第一矩形段1-12的一端，第一矩形段1-12将矩形槽口等间距的分隔为第一开口1-13和第二开口1-14，第一矩形段1-12的另一端伸至第一弧段1-11的圆心位置；
所述第一金属贴片1-1还包括有第二弧段1-15，第二弧段1-15位于第一弧段1-11内，且与第一弧段1-11的圆心重合，第一矩形段1-12由第二弧段1-15开口的中间位置伸入第二弧段1-15内；第二弧段1-15的端部连接有第一连接段1-16和第二连接段1-17的一段，第一连接段1-16和第二连接段1-17关于第二弧段1-15的中心线对称设计，第一连接段1-16和第二连接段1-17的另一端与第二弧段1-15的内壁连接。
所述第二金属贴片1-2包括有第三弧段1-21，第三弧段1-21的内侧中心位置处连接有第四弧段1-22的外侧，第四弧段1-22与第二弧段1-15等间距平行设计；
第三弧段1-21的外侧中心位置处连接有第二矩形段1-24的一侧，第二矩形段1-24的另一侧连接有第三矩形段1-23的一侧。
进一步，从超表面单元来阐述本发明的工作模式，超表面单元的整体结构如图3所示。二极管摆放方式如图4所示。二极管截止时，等效于5.2ohm的电阻、0.05nH的电感、0.025pF的电容串联；二极管导通时，等效于5.2ohm的电阻、0.05nH的电感串联。
当图4中第一二极管PIN1处于截止状态，第二二极管PIN2处于导通状态时，单元等效于左侧开口的类开口圆环称为state1。当图4中第二二极管处于截止状态，第一二极管PIN1处于导通状态时，单元等效于下侧开口的类开口圆环称为state2。
如图5所示，当使用右旋圆极化入射波照射到无线周期的超表面结构时，state1与state2的右旋圆极化共极化反射波的幅值在6.82GHz到9.96GHz，分数带宽为37％，之间均大于-1dB,这确保了较高的反射率，state1与state2的右旋圆极化交叉极化反射波的幅值均小于-15dB，对应了圆极化轴比小于3。
如图6所示，state1与state2的相位曲线差值约为180°，因此这一超表面单元可以在保持高共极化反射幅值的状态下实现0与π的两种相位状态，其中state1为相位0状态，state2为相位π状态。
如图7所示，当使用线极化分量照射到这个超表面单元时，在6.82GHz到9.96GHz之间，x极化的共极化反射幅值与y极化的共极化反射幅值均高于-1dB且state2的x极化共极化反射波的反射相位与state1的x极化共极化反射波的反射相位差值为180°，state1的y极化共极化反射波的反射相位与state2的y极化共极化反射波的反射相位差值为180°。
如图8所示，我们将图一中的8×8超表面进行了仿真验证与加工，并使用圆极化喇叭照射超表面对其性能进行了测试。我们选择了频率为7.4GHz,8.6GHz以及9.9GHz描述这一超表面在工作频段内的性能。图8(a)表示阵列每一行状态为“ππ0000ππ”，对应的图8(b)(c)(d)分别表示了阵列在这一相位分布下时不同频率的仿真与测试的辐射方向图，对应了计算值中的±24°，仿真结果与测试结果匹配良好。图8(e)表示阵列每一行状态为“0000ππππ”，其方向图的峰值被重定向为了±14°，对应的图8(f)(g)(h)分别表示了阵列在这一相位分布下时不同频率的仿真与测试的辐射方向图。图8(i)表示阵列每一行状态为“00000000”，对应的图8(j)(k)(l)分别表示了阵列在这一相位分布下时不同频率的仿真与测试的辐射方向图，这一种状态为镜面反射状态，为了避免馈电遮挡，因此将馈源倾斜了15°入射，可以观察到主峰位置在大约15°的位置，展现出良好的一致性。可见本发明具备电可控的能力。
本发明通过CST微波工作室软件进行仿真分析，得到以下优化参数：角度α1＝75°，α2＝45°，金属柱半径为0.2mm，偏置线宽度为0.2mm，其余参数如表1所示：
表1本发明各参数最佳尺寸表
综上所述，本发明在简单的偏置电压控制下，可以实现圆极化共极化反射幅值不变，圆极化纯度高，工作频带宽且获得了相位差为π的两种工作相位的切换。经过模拟测试，在通过电控改变阵面相位分布后，对入射的圆极化电磁波进行了有效的波束方向控制，测试与仿真结果的一致性证明了这一超表面性能的稳定性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带电控可重构圆极化反射超表面单元，其特征在于，所述超表面单元包括有上层介质基板、中层金属地板和下层介质基板，上层介质基板、中层金属地板和下层介质基板由上至下依次贴合连接；
上层介质基板的上表面设置有第一金属贴片和弧形的第二金属贴片，第一金属贴片和第二金属贴片围成圆形，第一金属贴片与第二金属贴片的相邻的两端分别通过第一二极管和第二二极管连接，通过控制第一二极管和第二二极管的通断状态，可重构反射超表面单元；
中层金属地板上设置有通孔；
下层介质基板的下表面设置有一端连接电源导线的金属偏置线，金属偏置线四分之一波长处加载了一个半径为四分之一波长，夹角为90°的扇形的开路枝节，用于隔离金属偏置线上的射频信号避免其影响直流源；
第一金属柱的一端与第一金属贴片连接，另一端与中层金属地板连接，等效于结构接地；
第二金属柱的一端与第二金属贴片连接，另一端不接触的穿过通孔，与金属偏置线远离电源导线的一端连接；
所述第一金属贴片包括有第一弧段，第一弧段的内侧中心位置处开设有矩形槽口，矩形槽口的中心位置处连接有第一矩形段的一端，第一矩形段将矩形槽口等间距的分隔为第一开口和第二开口，第一矩形段的另一端伸至第一弧段的圆心位置；
所述第一金属贴片还包括有第二弧段，第二弧段位于第一弧段内，且与第一弧段的圆心重合，第一矩形段由第二弧段开口的中间位置伸入第二弧段内；第二弧段的端部连接有第一连接段和第二连接段的一段，第一连接段和第二连接段关于第二弧段的中心线对称设计，第一连接段和第二连接段的另一端与第二弧段的内壁连接；
所述第二金属贴片包括有第三弧段，第三弧段的内侧中心位置处连接有第四弧段的外侧，第四弧段与第二弧段等间距平行设计；
第三弧段的外侧中心位置处连接有第二矩形段的一侧，第二矩形段的另一侧连接有第三矩形段的一侧。
2.如权利要求1所述的宽带电控可重构圆极化反射超表面单元，其特征在于，上层介质基板与下层介质基板均为正方形，且均为F4B基板。
3.如权利要求1所述的宽带电控可重构圆极化反射超表面单元，其特征在于，第一二极管和第二二极管的型号均为MADP-000907-14020x。
4.如权利要求1所述的宽带电控可重构圆极化反射超表面单元，其特征在于，上层介质基板、中层金属地板和下层介质基板通过FR28固化片进行粘合。
5.如权利要求1所述的宽带电控可重构圆极化反射超表面单元，其特征在于，所述第一金属贴片和第二金属贴片的中心线均与上层介质基板的对角线重合，且均关于上层介质基板的对角线对称设计；第一二极管和第二二极管的朝向均为逆时针摆放。
6.一种宽带电控可重构圆极化反射超表面结构，其特征在于，所述超表面结构包括有n×n个超表面单元，上层介质基板上设置的第一金属贴片和弧形的第二金属贴片围成圆形结构，形成n行×n列的等间距阵列；
若干超表面单元的中层金属地板相互连接成一体化设计；
电源导线首尾相连形成n条，汇总至金属焊盘用于焊接电压源馈线；
所述第一金属贴片包括有第一弧段，第一弧段的内侧中心位置处开设有矩形槽口，矩形槽口的中心位置处连接有第一矩形段的一端，第一矩形段将矩形槽口等间距的分隔为第一开口和第二开口，第一矩形段的另一端伸至第一弧段的圆心位置；
所述第一金属贴片还包括有第二弧段，第二弧段位于第一弧段内，且与第一弧段的圆心重合，第一矩形段由第二弧段开口的中间位置伸入第二弧段内；第二弧段的端部连接有第一连接段和第二连接段的一段，第一连接段和第二连接段关于第二弧段的中心线对称设计，第一连接段和第二连接段的另一端与第二弧段的内壁连接；
所述第二金属贴片包括有第三弧段，第三弧段的内侧中心位置处连接有第四弧段的外侧，第四弧段与第二弧段等间距平行设计；
第三弧段的外侧中心位置处连接有第二矩形段的一侧，第二矩形段的另一侧连接有第三矩形段的一侧。
7.如权利要求6所述宽带电控可重构圆极化反射超表面结构，其特征在于，所述超表面结构包括有8×8个超表面单元。
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