CN116487877B - 一种四相位可调电磁超表面单元及阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四相位可调电磁超表面单元及阵列，电磁超表面单元包括用于接收电磁波信号的信号接收层、用于发射电磁波信号的信号发射层与位于信号接收层与信号发射层之间的参考地平面层；信号接收层包括第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管、第一贴片、第二贴片、第三贴片与第一偏置电路层；第一贴片为E型贴片，第一贴片与所述第二贴片、第三贴片构成U型缝隙结构；信号发射层包括第二偏置电路层、第四贴片、第五贴片、第六贴片、第五开关二极管与第六开关二极管；第四贴片与第五贴片为半圆形贴片。本发明可以获得四种移相状态，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
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及的是一种四相位可调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。
工作带宽是影响电磁超表面阵列应用的重要因素。Ka频段的工作频段为26GHz－40GHz，单信道工作带宽为3.5GHz。而现有的电磁超表面同常采用带宽较小的传输延迟线来实现90°相移，2bit透射超表面单元的工作频率范围为28.4GHz－31.4GHz，带宽为3GHz，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四相位可调电磁超表面单元及阵列，以解决现有2bit透射超表面单元的工作频率范围无法完全覆盖单个Ka波段工作信道的问题。
本发明的技术方案如下：
一种四相位可调电磁超表面单元，其包括：用于接收电磁波信号的信号接收层、用于发射电磁波信号的信号发射层与位于所述信号接收层与信号发射层之间的参考地平面层；其中，
所述信号接收层包括：第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管、第一贴片、第二贴片、第三贴片与第一偏置电路层；其中，所述第一贴片为E型贴片，所述第一贴片与所述第二贴片、第三贴片构成U型缝隙结构；
所述第一开关二极管、所述第四开关二极管连接在所述第一贴片与所述第三贴片之间；所述第二开关二极管、所述第三开关二极管连接在所述第一贴片与所述第二贴片之间；所述第一偏置电路层分别与所述第二贴片以及所述第三贴片连接，用于控制所述第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管与第四开关二极管的通断；
所述信号发射层包括：第二偏置电路层、第四贴片、第五贴片、第六贴片、第五开关二极管与第六开关二极管；其中，所述第四贴片与所述第五贴片为半圆形贴片；
所述第五开关二极管连接在所述第四贴片与所述第六贴片之间；所述第六开关二极管连接在所述第五贴片与所述第六贴片之间；所述第二偏置电路层分别与所述第四贴片与所述第五贴片连接，用于控制所述第五开关二极管与所述第六开关二极管的通断。
本发明的进一步设置，所述信号发射层还包括：辅助走线层；所述辅助走线层分别与所述第一贴片以及所述参考地平面层连接。
本发明的进一步设置，所述信号发射层还包括：第一介质板、第一粘接板与第二介质板；其中，
所述第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管、第一贴片、第二贴片与第三贴片均设置在所述第一介质板上；
所述辅助走线层设置在所述第二介质板上；
所述第一偏置电路层设置在所述第一粘接板上；
所述第一粘接板位于所述第一介质板与所述第二介质板之间。
本发明的进一步设置，所述第一偏置电路层包括：第一扇形微带结构与第二扇形微带结构；
所述第一扇形微带结构与所述第二贴片连接，并横置于所述第一粘接板；
所述第二扇形微带结构与所述第三贴片连接，并横置于所述第一粘接板；
其中，所述第一扇形微带结构与所述第二扇形微带结构为两个相对设置且不对称的扇形结构构成。
本发明的进一步设置，所述参考地平面层包括：第二粘接板与金属地平面层；
所述金属地平面层设置在所述第二介质板与所述第二粘接板之间。
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；所述第二偏置电路层设置在所述第三介质板上。
本发明的进一步设置，所述第二偏置电路层包括：第七贴片、第八贴片与导线；其中，
所述第七贴片与所述第四贴片连接；所述第八贴片与所述第五贴片连接；
所述导线分别与所述第七贴片以及所述第八贴片连接，并朝向所述第三介质板的边沿延伸。
本发明的进一步设置，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；所述第二介质板与所述第一连接孔对应的位置设置第三连接孔；所述金属地平面层与所述第二粘接板与所述第一连接孔对应的位置分别设置有第四连接孔与第五连接孔；所述第三介质板与所述第一连接孔的位置设置有第六连接孔。
本发明的进一步设置，所述第一介质板与所述第二贴片对应的位置设置有用于与所述第一偏置电路层连接的第七连接孔；所述第一介质板与所述第三贴片对应的位置设置有与所述第一偏置电路层连接的第八连接孔；所述第三介质板与所述第七贴片对应的位置设置有与所述第四贴片连接的第九连接孔；所述第三介质板与所述第八贴片对应的位置设置有用于与所述第五贴片连接的第十连接孔。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种四相位可调电磁超表面阵列，其包括如上述所述的四相位可调电磁超表面单元。
本发明所提供的一种四相位可调电磁超表面单元及阵列，四相位可调电磁超表面单元包括：用于接收电磁波信号的信号接收层、用于发射电磁波信号的信号发射层与位于所述信号接收层与信号发射层之间的参考地平面层；其中，所述信号接收层包括：第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管、第一贴片、第二贴片、第三贴片与第一偏置电路层；其中，所述第一贴片为E型贴片，所述第一贴片与所述第二贴片、第三贴片构成U型缝隙结构；所述信号发射层包括：第二偏置电路层、第四贴片、第五贴片、第六贴片、第五开关二极管与第六开关二极管；其中，所述第四贴片与所述第五贴片为半圆形贴片。本发明通过第一偏置电路层控制第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管的导通与关断，可以实现E形金属贴片结构和U形缝隙金属贴片结构相互切换的90°相移电可调超表面结构，可以对电磁波信号施加90°相移，而通过第二偏置电路层控制第五开关二极管与第六开关二极管的导通与关断，则可以对电磁波信号施加180°相移，将两种相移效果叠加即可获得四种移相状态。并且，顶层分别构成E形金属贴片结构和U形缝隙金属贴片结构具有较大的带宽，第四贴片与第六贴片连接或第五贴片与第六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是本发明中四相位可调电磁超表面单元的整体结构示意图。
图2是本发明中四相位可调电磁超表面单元的分解图。
图3是本发明中顶层超表面的结构示意图。
图4是本发明中底层超表面的结构示意图。
图5是本发明中第一偏置电路层的结构示意图。
图6是本发明中辅助走线的结构示意图。
图7是本发明中金属地平面的结构示意图。
图8是本发明中第二偏置电路层的结构示意图。
图9是本发明中第三介质板的结构示意图。
图10是本发明一个实施例中四相位可调电磁超表面单元S21透射系数图。
图11是本发明一个实施例中四相位可调电磁超表面单元的波束赋形偏转结果图。
附图中各标记：1、信号接收层；11、第一开关二极管；12、第二开关二极管；13、第三开关二极管；14、第四开关二极管；15、第一贴片；16、第二贴片；17、第三贴片；18、第一偏置电路层；181、第一扇形微带结构；182、第二扇形微带结构；19、辅助走线层；111、第一介质板；112、第一粘接板；113、第二介质板；2、信号发射层；21、第二偏置电路层；211、第七贴片；212、第八贴片；213、导线；22、第四贴片；23、第五贴片；24、第六贴片；25、第五开关二极管；26、第六开关二极管；27、第三介质板；271、第六连接孔；272、第九连接孔；273、第十连接孔；3、参考地平面层；31、第二粘接板；32、金属地平面层；321、第四连接孔。
具体实施方式
本发明提供一种四相位可调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。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。对此，出现了电可调节的超表面阵列天线，使其不仅无须借助机械结构就能改变信号传播方向，也能改变信号会聚的焦点。
现有的电可调节的透射超表面阵列主要工作在12GHz以下，而工作在K波段，Ka波段等高频段的透射超表面单元结构种类较少，带宽较小，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。工作带宽是影响电磁超表面阵列应用的重要因素，Ka频段的工作频段为26GHz－40GHz，单信道工作带宽为3.5GHz。而现有的电磁超表面同常采用带宽较小的传输延迟线来实现90°相移，2bit透射超表面单元的工作频率范围为28.4GHz－31.4GHz，带宽为3GHz，无法完全覆盖单个Ka波段工作信道。
针对上述技术问题，本发明提供的一种四相位可调电磁超表面单元及阵列，其中四相位可调电磁超表面单元包括：用于接收电磁波信号的信号接收层、用于发射电磁波信号的信号发射层与位于所述信号接收层与信号发射层之间的参考地平面层；其中，所述信号接收层包括：第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管、第一贴片、第二贴片、第三贴片与第一偏置电路层；其中，所述第一贴片为E型贴片，所述第一贴片与所述第二贴片、第三贴片构成U型缝隙结构；所述信号发射层包括：第二偏置电路层、第四贴片、第五贴片、第六贴片、第五开关二极管与第六开关二极管；其中，所述第四贴片与所述第五贴片为半圆形贴片。本发明通过第一偏置电路层控制第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管的导通与关断，可以实现E形金属贴片结构和U形缝隙金属贴片结构相互切换的90°相移电可调超表面结构，可以对电磁波信号施加90°相移，而通过第二偏置电路层控制第五开关二极管与第六开关二极管的导通与关断，则可以对电磁波信号施加180°相移，将两种相移效果叠加即可获得四种移相状态。并且，顶层分别构成E形金属贴片结构和U形缝隙金属贴片结构具有较大的带宽，第四贴片与第六贴片连接或第五贴片与第六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。
请同时参阅图1至图11，本发明提供了一种四相位可调电磁超表面单元的较佳实施例。
如图1至图3所示，本发明提供的一种四相位可调电磁超表面单元，其包括：用于接收电磁波信号的信号接收层1、用于发射电磁波信号的信号发射层2与位于所述信号接收层1与信号发射层2之间的参考地平面层3。其中，所述信号接收层1包括：第一开关二极管11、第二开关二极管12、第三开关二极管13、第四开关二极管14、第一贴片15、第二贴片16、第三贴片17与第一偏置电路层18；其中，所述第一贴片15为E型贴片，所述第一贴片15与所述第二贴片16、第三贴片17构成U型缝隙结构；所述第一开关二极管11、所述第四开关二极管14连接在所述第一贴片15与所述第三贴片17之间；所述第二开关二极管12、所述第三开关二极管13连接在所述第一贴片15与所述第二贴片16之间；所述第一偏置电路层18分别与所述第二贴片16以及所述第三贴片17连接，用于控制所述第一开关二极管11、第二开关二极管12、第三开关二极管13与第四开关二极管14的通断；所述信号发射层2包括：第二偏置电路层21、第四贴片22、第五贴片23、第六贴片24、第五开关二极管25与第六开关二极管26；其中，所述第四贴片22与所述第五贴片23为半圆形贴片；所述第五开关二极管25连接在所述第四贴片22与所述第六贴片24之间；所述第六开关二极管26连接在所述第五贴片23与所述第六贴片24之间；所述第二偏置电路层21分别与所述第四贴片22与所述第五贴片23连接，用于控制所述第五开关二极管25与所述第六开关二极管26的通断。
具体地，所述信号接收层1、所述参考地平面层33与所述信号发射层2依次堆叠设置。所述信号接收层1负载接收电磁波信号，所述信号发射层2则用于将接收的电磁波信号发射出去。所述参考地平面层33可以将所述信号接收层1与所述信号发射层2隔离开，使得信号接收与信号发射互不影响。
所述第一贴片15为左右对称的E型结构，所述第二贴片16与所述第三贴片17平行设置，所述第一贴片15、第二贴片16与第三贴片17构成顶层超表面结构。所述第一开关二极管11、第二开关二极管12、第三开关二极管13与第四开关二极管14连接在所述第一贴片15与平行设置的所述第二贴片16、所述第三贴片17之间，且所述第一开关二极管11、第二开关二极管12、第三开关二极管13与第四开关二极管14同向设置，所述第二贴片16与所述第三贴片17作为各个开关二极管的偏置电极，通过所述第一偏置电路层18提供偏置电压。当所述第一偏置电路层18施加－1.3V的偏置电压时，所述第一开关二极管11、第二开关二极管12、第三开关二极管13与第四开关二极管14同时反偏关断，此时只有所述第一贴片15接入，顶层的超表面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°，根据所述第一开关二极管11至第四开关二极管14的反偏关断状态，定义为顶层超表面结构的状态为0。当给所述第一偏置电路层18施加1.3V的偏置电压时，所述第一开关二极管11至所述第四开关二极管14同时正偏导通，所述第一贴片15与所述第二贴片16、所述第三贴片17连接构成U型缝隙结构，所述第一开关二极管11至所述第四开关二极管14的导通使得金属贴片的谐振结构产生差异，从而使得顶层超表面结构对透射的电磁波信号施加90°相移，根据所述第一开关二极管11至所述第四开关二极管14的正偏导通状态，定义为顶层超表面的状态为1。其中，顶层超表面的两种结构状态构成的E型天线、U型缝隙天线分别具有27％、24％的带宽分数，通过控制第一开关二极管11至第四开关二极管14的导通与关断状态，可以使顶层超表面结构工作于两种状态，两种状态均可接收电磁波信号，但是因为谐振结构不同，两种状态下的出射电磁波信号会产生90°的相位差。
所述第四贴片22与所述第五贴片23均为半圆形金属贴片，所述第六贴片24为圆形贴片，所述第三贴片17用于馈送电磁波信号，所述第四贴片22、第五贴片23与第六贴片24构成底层超表面结构。所述第四贴片22通过所述第五开关二极管25连接后构成可电调控的半圆形天线，所述第五贴片23与所述第六贴片24通过所述第六开关二极管26连接后构成可电调控的半圆形天线。
当所述第二偏置电路层21给所述第四贴片22与所述第五贴片23提供1.3V偏置电压时，所述第五开关二极管25关断，所述第六开关二极管26导通，此时所述第四贴片22与所述第六贴片24相连，所述信号发射层2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2状态0。当所述第二偏置电路层21给所述第四贴片22与所述第五贴片23施加－1.3V偏置电压时，所述第五开关二极管25导通，所述第五开关二极管25关断，此时所述第四贴片22与所述第六贴片24连通，所述信号发射层2为电磁波信号施加180°相移，定义为信号发射层2状态1。
本发明将顶层超表面与底层超表面两种超表面结构产生的相移效果叠加在一起，即可获得0°+0°，90°+0°，0°+180°，90°+180°这四种移相状态。用二进制的方法表示这四种相移状态，需要2位符号来表示。其中第一位为顶层超表面结构对应的状态表示，第二位为底层超表面结构对应的状态表示。因此元胞单元中的00，10，01，11这4种状态，就分别对应0°，90°，180°，270°这四种相移，可以产生90°的附加相位梯度，总相移可达到270°。即，在实际应用中，要获得180°的透射相移，需要将顶层超表面结构设置为状态0，底层超表面结构设置为状态1，即将第一开关二极管11至第四开关二极管14设置为关断状态，第五开关二极管25正偏，第六开关二极管26反偏。相较于只具有两种相移状态的1－bit透射超表面元胞单元，具有四种相移状态的2－bit透射超表面元胞单元，组成阵列后有更灵活的波束偏转方向、更大的信号增益和更大的工作带宽，可以通过控制编码序列实现不同相位梯度阵列，从而实现电磁波波束的定向调控。并且，顶层分别构成E形金属贴片结构和U形缝隙金属贴片结构具有较大的带宽，第四贴片22与第六贴片24连接或第五贴片23与第六贴片24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。
本发明通过采用两层(顶层和底层)结构不同的超表面对电磁波信号进行调控，与传统的一层超表面或者多层相同结构的超表面相比，结构不同的超表面可以最大限度的扩展带宽，减少通带衰减。且两层超表面分别设置于接收端和发射端，二者互不干扰，通过中间的第二偏置电路层21耦合，可以实现性能最优。
请参阅图1、图2与图6，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述信号发射层2还包括：辅助走线层19；所述辅助走线层19分别与所述第一贴片15以及所述参考地平面层33连接。
具体地，所述辅助走线层19连接至所述参考地平面层3，可以阻止感应电流泄露到所述参考地平面层3。其中，所述辅助走线层19采用细长的连接线连接至电磁超表面的边缘并行与所述参考地平面层3连接，以使连接线的等效电感最大，从而可以阻止高频信号泄露到所述参考地平面层3。在一些实施例中，所述辅助走线层19为金属材质，例如，可以是金属铜，所述辅助走线层19的厚度可以设置为0.0175mm。
请参阅图1与图2，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述信号发射层2还包括：第一介质板111、第一粘接板112与第二介质板113。其中，所述第一开关二极管11、第二开关二极管12、第三开关二极管13、第四开关二极管14、第一贴片15、第二贴片16与第三贴片17均设置在所述第一介质板111上；所述辅助走线层19设置在所述第二介质板113上；所述第一偏置电路层18设置在所述第一粘接板112上；所述第一粘接板112位于所述第一介质板111与所述第二介质板113之间。
具体地，所述第一介质板111与所述第二介质板113均为PCB介质材料，例如，介质材料可以是Rogers RT6002，在一种实现方式中，厚度可以设置0.254mm。所述第一粘接板112的材料可以是但不限于是Taconic FR28，在一种实现方式中，所述第一粘接板112的厚度可以是设置为0.114mm。所述第一介质板111与所述第二介质板113通过所述第一粘接板112连接。
请参阅图1、图2与图5，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述第一偏置电路层18包括：第一扇形微带结构181与第二扇形微带结构182。所述第一扇形微带结构181与所述第二贴片16连接，并横置于所述第一粘接板112；所述第二扇形微带结构182与所述第三贴片17连接，并横置于所述第一粘接板112。其中，所述第一扇形微带结构181与所述第二扇形微带结构182为两个相对设置且不对称的扇形结构构成。
具体地，所述第一扇形微带结构181与所述第二扇形微带结构182的枝节长度与扇形半径根据测试后设定，可以阻止入射到顶层超表面结构的电磁波信号所产生的感应电流沿着所述第一偏置电路层18流到外加电源或所述参考地平面层3，使得所述第一扇形微带结构181与所述第二扇形微带结构182的电路阻抗无穷大，起到了隔绝电磁波的作用。且所述第一扇形微带结构181与所述第二扇形微带结构182横向设置，可以减小高频信号的耦合，并可以扇形微带线的占用面积，简化了结构，从而降低制备复杂度，在电磁超表面单元集成为阵列时，可以减少控制电路和有源器件对超表面阵列造成的影响，实现更为灵活的电磁波束调功功能。
此外，所述第一扇形微带结构181与所述第二扇形微带结构182通过四分之一波长短截线连接至顶层超表面结构，末端开路形成高阻，可以进一步地减少高频信号的泄露。最后，所述第一扇形微带结构181与所述第二扇形微带结构182均由两个半径不等的扇形微带线构成，可以进一步增大扇形微带短截线的带宽，从而可以提高高频信号的带宽。在一些实施例中，所述第一偏置电路层18可以采用金属铜制成，厚度可以设置为0.0175mm。
请参阅图1、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33包括：第二粘接板31与金属地平面层32。所述金属地平面层32设置在所述第二介质板113与所述第二粘接板31之间。
具体地，所述金属地平面层32为所述第一偏置电路层18与所述第二偏置电路层21提供参考零点，并将顶层超表面结构与底层超表面结构隔离开。在一些实施例中，所述第二粘接板31的材料也可以是Taconic FR28，在一种实现方式中，所述第二粘接板31的厚度可以设置为0.114mm。
请参阅图1与图2，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述信号发射层2还包括：第三介质板27；所述第三介质板27与所述第二粘接板31连接；所述第二偏置电路层21设置在所述第三介质板27上。
进一步地，请结合图8，所述第二偏置电路层21包括：第七贴片211、第八贴片212与导线213。其中，所述第七贴片211与所述第四贴片22连接；所述第八贴片212与所述第五贴片23连接；所述导线213分别与所述第七贴片211以及所述第八贴片212连接，并朝向所述第三介质板27的边沿延伸。
具体地，所述第七贴片211与所述第八贴片212为面积较大的金属贴片，所述第七贴片211与所述第八贴片212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2)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213为细长的导线213，并从所述第七贴片211与所述第八贴片212朝向所述第三介质板27的边沿延伸，所述导线213设置为细长状，阻抗较大，可以阻止高频信号沿所述导线213泄露。在一些实施例中，所述第二偏置电路层21的厚度可以采用金属铜制成，厚度可以设置为0.175mm。
在一些实施例中，所述第三介质板27为PCB介质材料制成，例如介质材料可以是Rogers RT6002，在一种实现方式中，所述第三介质板27的厚度可以设置为0.508mm。
在一些实施例中，所述第四贴片22、所述第五贴片23与所述第六贴片24构成的底层超表面结构可以采用金属铜制成，在一种实现方式中，底层超表面结构的厚度可以设置为0.0175mm。
请参阅图1、图2、图8与图9，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述第一介质板111上设置有第一连接孔(图中未标出)；所述第一粘接板112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)；所述第二介质板113与所述第一连接孔对应的位置设置第三连接孔(图中未标出)；所述金属地平面层32与所述第二粘接板31与所述第一连接孔对应的位置分别设置有第四连接孔321与第五连接孔(图中未标出)；所述第三介质板27与所述第一连接孔的位置设置有第六连接孔271。
具体地，所述第一贴片15、所述辅助走线层19、所述金属地平面层32与所述第六贴片24采用连接柱穿设于所述第一连接孔、第二连接孔、第三连接孔、第四连接孔321、第五连接孔与第六连接孔271实现连接。
请参阅图1、图2与图9，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述第一介质板111与所述第二贴片16对应的位置设置有用于与所述第一偏置电路层18连接的第七连接孔(图中未标出)；所述第一介质板111与所述第三贴片17对应的位置设置有与所述第一偏置电路层18连接的第八连接孔(图中未标出)；所述第三介质板27与所述第七贴片211对应的位置设置有与所述第四贴片22连接的第九连接孔272；所述第三介质板27与所述第八贴片212对应的位置设置有用于与所述第五贴片23连接的第十连接孔273。
具体地，所述第一偏置电路层18采用连接柱穿设于所述第七连接孔与所述第八连接孔与所述第二贴片16以及所述第三贴片17实现连接。所述第二偏置电路层21采用连接柱穿设于所述第九连接孔272与所述第十连接孔273与所述第四贴片22与所述第五贴片23实现连接。
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：
其中，其中，P表示第一介质板的宽度，W、L、W1、W2、W3、L1、L2表示第一贴片的各个尺寸，L3表示第一贴片与第三贴片之间的间隙，L3a表示第三贴片的宽度，Lu表示第一贴片距离第一介质板的边缘的距离，Ld表示第三贴片距离第一介质板边缘的距离，U1表示第三开关二极管的连接位置到第一贴片的边缘的距离，U2表示第三开关二极管在第一贴片的连接位置到第二贴片的边缘的距离，U2a表示第二贴片的宽度，U2b表示第一贴片的一端与第一贴片的距离，g1表示第一贴片与第三贴片之间距离，Wb表示短截线的宽度，Φdv表示第二连接孔的直径，Φdb＿out表示第二连接孔的外径，Φdb表示第二连接孔的内径，R2W表示第二扇形微带结构的中心至第二粘接板的边缘的距离，R2表示第二扇形微带结构中的其中一个扇形的半径，R2L表示第二扇形微带结构中另一扇形的半径，R4W表示第一扇形微带结构的中心至第一粘接板的边缘的距离，R4表示第一扇形微带结构中的其中一个扇形的半径，R4L表示第一扇形微带结构中另一扇形的半径，GapW表示短截线与第一粘接板的边缘的距离，ViaUpL表示第七连接孔至第一粘接板的边缘的距离，ViaDownL表示第八连接孔至第一粘接板的边缘的距离，L－GND表示辅助走线的一端的长度、dv表示第三连接孔的内径、dv＿outp表示第三连接孔的外径、db表示辅助走线两端的连接孔的内径、db＿outp表示辅助走线两端的连接孔的外径，dp表示第四连接孔的外径，Lc表示第七贴片的宽度，Wc表示第七金属贴片的长度，Lvia表示第八贴片与第六连接孔之间的距离，gapL表示导线与第三介质板边缘的距离，Lcap表示第八贴片与第三介质板边缘的距离，Wb表示导线的宽度，Rout表示第四贴片和第五贴片的半径，Rin表示第六贴片的半径，g1表示第五贴片与第六贴片之间的距离，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3－图8所示。
需要说明的是，本发明工作在Ka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，因此对在工作在其他频段的超材料单元具有同样的有益效果。
为对本发明的技术效果进行验证，以顶层90°可电调相移超表面结构和扇形微带直流偏置电路后构成的2－bit透射超表面结构的实施例进行验证。图10为本发明一个实施例中四相位电可调电磁超表面单元S21透射系数图(图10中a为电磁波信号为0°、90°、180°与270°的幅度曲线图，图10中b为电磁波信号在0°、90°、180°与270°的相位曲线图，图10中c为电磁波信号在90°相位与在相位为0°的相位差值、电磁波信号在180°相位与在相位为0°的相位差值曲线图相位差值以及电磁波信号在270°相位与在相位为0°的相位差值曲线图)，图11为本发明一个实施例中高带宽四相位可调电磁超表面波束赋形偏转结果图，通过直流偏置电压控制顶层90°相移超表面结构的相移功能，并使该2－bit相移超表面结构避免更大的射频信号泄露，增加整个结构的工作带宽。综合顶层超表面结构，底层超表面结构，扇形微带直流偏置电路和若干耦合电路，优化后的2－bit透射超表面元胞单元的－3dB透射带宽可达到4.67GHz，其工作频段为26.464GHz－31.136GHz，与现阶段同为2－bit透射超表面元胞单元的3GHz工作带宽，工作频段为28.4GHz－31.4GHz相比，本发明可以增加55.66％的带宽增益效果。
将2bit透射超表面元胞单元组成12乘以12的阵列(最大可组成为28乘以28的阵列)，通过配置各个PIN管的工作状态，可以使出射电磁波波束做任意角度的偏转，如图11所示。该波束偏转在26.4GHz－31.1GHz均可实现，其工作带宽为4.67GHz。与现阶段的1－bit透射超表面元胞单元构成的阵列工作带宽为0.40GHz，工作频段为27.20GHz－27.60GHz相比，本发明－可以增加10.6倍的带宽增益效果。除此之外，1－bit透射超表面元胞单元构成的阵列只有中央部分区域可以完成波束偏转的功能，其他部分入射的电磁波信号被损耗掉，效率极低。而2－bit透射超表面元胞单元组成的阵列大部分区域都能将入射的电磁波信号偏转并发射出去，有效提高了阵列的透射效率。
在一些实施例中，本发明还提供了一种四相位可调电磁超表面阵列，其包括如上述所述的四相位可调电磁超表面单元，所述四相位可调电磁超表面单元横纵排列成阵列。所述四相位可调电磁超表面单元的实施例具体如一种四相位可调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四相位可调电磁超表面及阵列，具有以下有益效果：
相较于只具有两种相移状态的1－bit透射超表面元胞单元，具有四种相移状态的2－bit透射超表面元胞单元，组成阵列后有更灵活的波束偏转方向、更大的信号增益和更大的工作带宽，易于扩展超表面阵列口径。并且，顶层分别构成E形金属贴片结构和U形缝隙金属贴片结构具有较大的带宽，第四贴片与第六贴片连接或第五贴片与第六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；
通过采用两层(顶层和底层)结构不同的超表面对电磁波信号进行调控，与传统的一层超表面或者多层相同结构的超表面相比，结构不同的超表面可以最大限度的扩展带宽，减少通带衰减。且两层超表面分别设置于接收端和发射端，二者互不干扰，通过中间的第二偏置电路层耦合，可以实现性能最优。
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 (4)
1.一种四相位可调电磁超表面单元，其特征在于，包括：用于接收电磁波信号的信号接收层、用于发射电磁波信号的信号发射层与位于所述信号接收层与信号发射层之间的参考地平面层；其中，
所述信号接收层包括：第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管、第一贴片、第二贴片、第三贴片与第一偏置电路层；其中，所述第一贴片为左右对称的E型贴片，所述第二贴片为矩形贴片，所述第三贴片为U型贴片，所述第二贴片与所述第三贴片平行设置，所述第二贴片位于所述第三贴片的开口处，所述第一贴片的开口与所述第三贴片的开口相对设置，当给所述第一偏置电路层施加正向偏置电压时，所述第一开关二极管至所述第四开关二极管同时正偏导通，所述第一贴片与所述第二贴片、第三贴片构成U型缝隙结构；
所述第一开关二极管、所述第四开关二极管连接在所述第一贴片与所述第三贴片之间；所述第二开关二极管、所述第三开关二极管连接在所述第一贴片与所述第二贴片之间；所述第一偏置电路层分别与所述第二贴片以及所述第三贴片连接，用于控制所述第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管与第四开关二极管的通断；
所述信号发射层包括：第二偏置电路层、第四贴片、第五贴片、第六贴片、第五开关二极管与第六开关二极管；其中，所述第四贴片与所述第五贴片为内凹的半圆形贴片，所述第六贴片为圆形贴片，所述第六贴片位于所述第四贴片与所述第五贴片之间；
所述第五开关二极管连接在所述第四贴片与所述第六贴片之间；所述第六开关二极管连接在所述第五贴片与所述第六贴片之间；所述第二偏置电路层分别与所述第四贴片与所述第五贴片连接，用于控制所述第五开关二极管与所述第六开关二极管的通断；
所述信号发射层还包括：辅助走线层；所述辅助走线层分别与所述第一贴片以及所述参考地平面层连接；
所述信号发射层还包括：第一介质板、第一粘接板与第二介质板；其中，
所述第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管、第一贴片、第二贴片与第三贴片均设置在所述第一介质板上；
所述辅助走线层设置在所述第二介质板上；
所述第一偏置电路层设置在所述第一粘接板上；
所述第一粘接板位于所述第一介质板与所述第二介质板之间；
所述第一偏置电路层包括：第一扇形微带结构与第二扇形微带结构；
所述第一扇形微带结构与所述第二贴片连接，并横置于所述第一粘接板；
所述第二扇形微带结构与所述第三贴片连接，并横置于所述第一粘接板；
其中，所述第一扇形微带结构与所述第二扇形微带结构为两个相对设置且不对称的扇形结构构成；
所述参考地平面层包括：第二粘接板与金属地平面层；
所述金属地平面层设置在所述第二介质板与所述第二粘接板之间；
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；所述第二偏置电路层设置在所述第三介质板上；
所述第二偏置电路层包括：第七贴片、第八贴片与导线；其中，所述第七贴片与所述第四贴片连接；所述第八贴片与所述第五贴片连接；所述导线分别与所述第七贴片以及所述第八贴片连接，并朝向所述第三介质板的边沿延伸。
2.根据权利要求1所述的四相位可调电磁超表面单元，其特征在于，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；所述第二介质板与所述第一连接孔对应的位置设置第三连接孔；所述金属地平面层与所述第二粘接板与所述第一连接孔对应的位置分别设置有第四连接孔与第五连接孔；所述第三介质板与所述第一连接孔的位置设置有第六连接孔。
3.根据权利要求1所述的四相位可调电磁超表面单元，其特征在于，所述第一介质板与所述第二贴片对应的位置设置有用于与所述第一偏置电路层连接的第七连接孔；所述第一介质板与所述第三贴片对应的位置设置有与所述第一偏置电路层连接的第八连接孔；所述第三介质板与所述第七贴片对应的位置设置有与所述第四贴片连接的第九连接孔；所述第三介质板与所述第八贴片对应的位置设置有用于与所述第五贴片连接的第十连接孔。
4.一种四相位可调电磁超表面阵列，其特征在于，包括如权利要求1－3任一项所述的四相位可调电磁超表面单元。
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