CN116864996B - 超表面阵列结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种超表面阵列结构，涉及通信技术领域。超表面阵列结构包括承载板以及位于所述承载板一侧的多个呈阵列排布的阵列单元。其中，阵列单元包括同层设置的接地图案贴片、反射阵列图案贴片、偏置线以及电调控单元。偏置线包括第一端和第二端，第一端与反射阵列图案贴片连接，第二端延伸至所述承载板的至少一个侧边。接地图案贴片与反射阵列图案贴片之间具有耦合缝隙，电调控单元连接于接地图案贴片与反射阵列图案贴片之间。在上述结构中，接地图案贴片、反射阵列图案贴片、偏置线及电调控单元同层设置，能够减少工艺流程，降低制造成本，提高制造效率。另外，本申请提供的超表面阵列结构能够实现通信补盲以及小区边缘区域的速率提升。

Description

超表面阵列结构

技术领域

本申请涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种超表面阵列结构。

背景技术

超表面阵列由人工设计的周期单元排列而成，并在周期单元内增加动态可调的电子元器件，对入射电磁波的延迟等参数进行独立控制，改变电磁波在不同空间方向上的强弱叠加状态，最终实现电磁环境的主动优化和控制。

超表面阵列主要面向5g、6g无线通信领域，可以在场馆、商场等热点流量地区拼接安装部署，协同现有基站，实现覆盖补盲。

传统的超表面阵列通常需要PCB工艺实现，将反射层和偏置线设置在不同层，并由金属地进行隔离，从而减少偏置线和反射层的相互影响。这种设计架构需要一块双面PCB板和一块单面PCB板压合而成（双面PCB板的上下两面分别刻蚀反射层和金属地，单面PCB板刻蚀偏置线），从而增加加工成本。

发明内容

为了至少克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种超表面阵列结构。

第一方面，本申请实施例提供一种超表面阵列结构，所述超表面阵列结构包括：

承载板；

位于所述承载板一侧的多个呈阵列排布的阵列单元；

其中，所述阵列单元包括同层设置的接地图案贴片、反射阵列图案贴片、偏置线以及电调控单元；

所述偏置线包括第一端和第二端，所述第一端与所述反射阵列图案贴片连接，所述第二端延伸至所述承载板的至少一个侧边；

所述接地图案贴片与所述反射阵列图案贴片之间具有耦合缝隙，所述电调控单元连接于所述接地图案贴片与所述反射阵列图案贴片之间。

在一种可能的实现方式中，所述接地图案贴片包括第一镂空区，所述第一镂空区位于所述接地图案贴片的中心区域；所述反射阵列图案贴片位于所述第一镂空区内；

所述接地图案贴片还包括与所述第一镂空区连通的第一走线槽，所述第一走线槽从所述接地图案贴片中心区域向远离所述接地图案贴片中心区域的方向延伸；所述第一走线槽两侧的所述接地图案贴片断开；所述偏置线经所述第一走线槽从所述接地图案贴片中心区域延伸至所述接地图案贴片外侧。

在一种可能的实现方式中，多个所述阵列单元沿第一方向和第二方向呈阵列分布，所述第一方向与所述第二方向垂直；

在所述第一方向上，同一列的多个所述阵列单元的所述接地图案贴片连接为一个整体。

在一种可能的实现方式中，在所述第二方向上，相邻两列所述阵列单元之间具有沿所述第一方向延伸的第二走线槽；

在所述第一方向上，同一列的多个所述阵列单元中所述第一走线槽均沿所述第二方向同向延伸，且均与同一所述第二走线槽连通；同一列中的多个所述阵列单元的所述偏置线经其对应的所述第一走线槽延伸至同一所述第二走线槽后，经所述第二走线槽分别延伸至所述承载板的至少一个侧边。

在一种可能的实现方式中，同一列的多个所述阵列单元分为沿所述第一方向排列的第一组和第二组，所述第一组中的多个所述阵列单元的偏置线经所述第二走线槽延伸至所述承载板的一端，所述第二组中的多个阵列单元的偏置线经所述第二走线槽延伸至所述承载板的另一端；

所述超表面阵列结构还包括与所述接地图案贴片同层设置的连接贴片，所述连接贴片位于所述第一组和第二组之间，所述连接贴片分别与多列所述阵列单元的接地图案贴片连接。

在一种可能的实现方式中，所述电调控单元在所述第一方向上连接于所述接地图案贴片和所述反射阵列图案之间。

在一种可能的实现方式中，所述超表面阵列结构还包括与多个所述偏置线连接的电压调整装置，所述电压调整装置用于调整各所述偏置线加载的电压以调整各所述阵列单元的反射相位；

所述电压调整装置控制所述反射阵列中各所述阵列单元的反射相位，第个所述阵列单元的反射相位/>满足以下约束：

其中，k为自由空间波数，为第(i,j)个阵列单元的坐标，/>为出射波束指向，/>为入射波束指向。

在一种可能的实现方式中，所述接地图案贴片还包括位于所述第一镂空区和所述第二走线槽之间且与所述第一走线槽连通的第二镂空区，所述第二镂空区以所述第一走线槽的延伸方向为轴对称设置；

所述阵列单元还包括位于第二镂空区内的滤波枝节，所述滤波枝节与位于所述第一走线槽内的所述偏置线连接，且所述滤波枝节与所述偏置线垂直，所述滤波枝节以所述第一走线槽内的所述偏置线为轴对称设置。

在一种可能的实现方式中，所述第二镂空区沿所述第一方向延伸的边缘呈N级阶梯状，N≥1且N为整数。

在一种可能的实现方式中，所述电调控单元为变容二极管、pin管或MEMS开关。

基于上述任意一个方面，本申请实施例提供的一种超表面阵列结构，通过将接地图案贴片、反射阵列图案贴片、偏置线以及电调控单元同层设置，只用一块单面承载板即可实现原有的超表面阵列功能，能够减少制作工艺，降低加工成本，提高加工效率；同时，通过偏置线改变电调控单元的元件参数，可以实现阵列单元的反射相位的调整。另外，本申请实施例提供的一种超表面阵列结构能够将基站辐射的信号反射到信号盲区，从而实现通信补盲以及小区边缘区域的速率提升。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要调用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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它相关的附图。

图1为本实施例提供的超表面阵列结构的结构示意图之一；

图2为本实施例提供的阵列单元的结构示意图之一；

图3为本实施例提供的图2中A区域的放大图；

图4为本实施例提供的阵列单元的结构示意图之二；

图5为本实施例提供的超表面阵列结构的结构示意图之二；

图6为本实施例提供的超表面阵列结构的局部放大图；

图7为本实施例提供的超表面阵列结构的结构示意图之三；

图8为本实施例提供的阵列单元的结构示意图之三；

图9为本实施例提供的滤波枝节和第二镂空区构成的滤波器的仿真图；

图10为本实施例提供的阵列单元的结构示意图之四；

图11为本实施例提供的阵列单元的反射相位的仿真图；

图12为本实施例提供的超表面阵列结构扫描的仿真图。

图标：100-阵列单元；200-承载板；110-接地图案贴片；120-反射阵列图案贴片；130-偏置线；140-电调控单元；111-第一镂空区；112-第一走线槽；113-第二走线槽；114-第二镂空区；115-耦合缝隙；150-连接贴片；160-滤波枝节。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。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申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的不同特征之间可以相互结合。

下面结合附图，对本申请的具体实施方式进行详细说明。

请参照图1，图1示例本实施例提供的超表面阵列结构的结构示意图。所述超表面阵列结构包括承载板200以及位于所述承载板200一侧的多个呈阵列排布的阵列单元100。

例如，所述承载板的材料可以为介质材料，所述超表面阵列结构可以由16×16共256个阵列单元100组成，所述阵列单元100之间的间距为29.5mm，所述超表面阵列结构的工作频段为3.3~3.8GHz。

具体地，请参照图2，每个所述阵列单元100包括同层设置的接地图案贴片110、反射阵列图案贴片120、偏置线130以及电调控单元140。例如，在本实施例中，所述超表面阵列结构可以采用PCB印刷工艺制作，所述接地图案贴片110、反射阵列图案贴片120以及偏置线130可以由设置在所述承载板200上的同一金属层刻蚀形成。

所述接地图案贴片110可以用于接地，所述电调控单元140可以通过焊接或异方向性导电胶膜设置于所述接地图案贴片110、反射阵列图案贴片120以及偏置线130形成的电路结构中，所述电调控单元140的集总参数的变化，可以用于调节反射电磁波的谐振频点。

所述偏置线130包括第一端和第二端，所述第一端与所述反射阵列图案贴片120连接，所述第二端延伸至所述承载板200的至少一个侧边。

在本实施例中，多个相邻的所述阵列单元100为一组，同一组的所述阵列单元100中所述偏置线130的第二端位于同一第二走线槽113内，多组所述阵列单元100中的偏置线130形成多个集线端。例如，多组所述阵列单元100中的偏置线130可以连接至m个集线端，其中，m为整数且m≥1。

请参照图3，所述接地图案贴片110与所述反射阵列图案贴片120之间具有耦合缝隙115，所述电调控单元140连接于所述接地图案贴片110与所述反射阵列图案贴片120之间，且所述电调控单元140可以位于所述耦合缝隙115中。具体地，所述接地图案贴片110与所述反射阵列图案贴片120之间的耦合缝隙115用于实现反射电磁波在某频点谐振。

在本实施例中，通过在所述偏置线130上加载不同的电压可以用于调节所述电调控单元140的元件参数，该元件参数可以包括电容和/或电阻，从而调节所述阵列单元100的反射相位，实现所述阵列单元100的相位控制。通过改变所述电调控单元140的状态，可以形成所需的反射方向图，同时可以实现波束扫描功能，并且，能够实现±60°范围内任意指向的空间波束扫描。

在上述结构中，所述接地图案贴片110、所述反射阵列图案贴片120、所述偏置线130以及所述电调控单元140同层设置，可以通过一次刻蚀工艺形成所述接地图案贴片110、所述反射阵列图案贴片120以及所述偏置线130，从而可以降低加工成本，提高加工效率。

另外，本申请提供的所述超表面阵列结构可以将基站辐射的信号反射到信号盲区，从而实现通信补盲以及小区边缘区域的速率提升。例如，可以由所述阵列单元100接收基站辐射的电磁波，并通过各所述阵列单元100反射相位的调节后，实现散射波束向指定空间辐射，其中，入射波束与出射波束的夹角最大超过120°。

在一种可能的实现方式中，请参照图4，所述接地图案贴片110包括第一镂空区111，所述第一镂空区111位于所述接地图案贴片110的中心区域。所述反射阵列图案贴片120位于所述第一镂空区111内。且所述接地图案贴片110与所述反射阵列图案贴片120之间存在耦合缝隙115。示例性地，所述反射阵列图案贴片120可以为12×12mm的正方形。

需要说明的是，所述反射阵列图案贴片120在所述承载板200上的正投影的形状还可以包括圆形、正六边形、正八边形以及长方形，在此不作具体限定。

所述接地图案贴片110还包括与所述第一镂空区111连通的第一走线槽112，所述第一走线槽112从所述接地图案贴片110的中心区域向远离所述接地图案贴片110中心区域的方向延伸。所述第一走线槽112两侧的所述接地图案贴片110断开；所述偏置线130经所述第一走线槽112从所述接地图案贴片中心区域延伸至所述接地图案贴片110外侧。

在一种可能的实现方式中，请参照图5，多个所述阵列单元100沿第一方向D1和第二方向D2呈阵列分布，所述第一方向D1与所述第二方向D2垂直。在所述第一方向D1上，同一列的多个所述阵列单元100的所述接地图案贴片110可以连接为一个整体。如此设计，可以实现多个阵列单元100的接地图案贴片110共地电连接。

在一种可能的实现方式中，请参照图6，在所述第二方向D2上，相邻两列所述阵列单元100之间具有沿所述第一方向D1延伸的第二走线槽113。

在所述第一方向D1上，同一列的多个所述阵列单元100中所述第一走线槽112均沿所述第二方向D2同向延伸，且均与同一所述第二走线槽113连通。同一列中的多个所述阵列单元100的所述偏置线130经其对应的所述第一走线槽112延伸至同一所述第二走线槽113后，经所述第二走线槽113分别延伸至所述承载板200的至少一个侧边。如此设计，实现了偏置线130的排布与反射阵列图案贴片120之间的地隔离，可以减少直流供电电路对阵列射频性能的影响。

在一种可能的实现方式中，请参照图7，同一列的多个所述阵列单元100分为沿所述第一方向D1排列的第一组和第二组，所述第一组中的多个所述阵列单元100的偏置线130经所述第二走线槽113延伸至所述承载板200的一端，以形成多个集线端。所述第二组中的多个阵列单元100的偏置线130经所述第二走线槽113延伸至所述承载板200的另一端，以形成多个集线端。

请再次参照图5，所述超表面阵列结构还包括与所述接地图案贴片110同层设置的连接贴片150，所述连接贴片150位于所述第一组和第二组之间，所述连接贴片150分别与多列所述阵列单元100的接地图案贴片110连接。

在一种可能的实现方式中，请再次参照图3，所述电调控单元140在所述第一方向D1上连接于所述接地图案贴片和所述反射阵列图案之间。

在一种可能的实现方式中，所述超表面阵列结构还包括与多个偏置线130连接的电压调整装置，多个偏置线130的第二端形成多个集线端，所述电压调整装置与集线端连接，所述电压调整装置用于调整各所述偏置线130加载的电压以调整各所述阵列单元100的反射相位。

具体地，所述电压调整装置通过对所述偏置线130上加载的电压进行改变，可以调节所述电调控单元140的元件参数，从而实现对各所述阵列单元100的反射相位的调整。

所述电压调整装置控制所述反射阵列中各所述阵列单元100的反射相位，第个所述阵列单元100的反射相位/>满足以下约束：

其中，k为自由空间波数，为第(i,j)个阵列单元100的坐标，/>为出射波束指向，/>为入射波束指向。

在一种可能的实现方式中，请参照图8，所述接地图案贴片110还包括位于所述第一镂空区111和所述第二走线槽113之间且与所述第一走线槽112连通的第二镂空区114，所述第二镂空区114以所述第一走线槽112的延伸方向为轴对称设置。

所述阵列单元100还包括位于第二镂空区114内且沿所述第一方向D1延伸的滤波枝节160，所述滤波枝节160与位于所述第一走线槽112内的所述偏置线130连接，且所述滤波枝节160与所述偏置线130垂直，所述滤波枝节160以所述第一走线槽112内的所述偏置线130为轴对称设置。具体地，所述滤波枝节可以与所述偏置线垂直。

请参照图9，由所述滤波枝节160和所述第二镂空区114构成的滤波器结构，其S₂₁在3.3~3.8GHz频段小于-20dB、在直流附近大于-0.1dB，可以保证所述阵列单元100感应的射频信号不会泄露进集线端处。

在一种可能的实现方式中，请参照图10，所述第二镂空区114沿所述第一方向D1延伸的边缘呈N级阶梯状，N≥1且N为整数。具体地，N越大，则滤波宽带越大。

在本实施例中，偏置线与射频结构的地隔离以及第二镂空区与滤波枝节构成的滤波结构，能够减少射频结构和直流供电电路的相互影响。

在一种可能的实现方式中，所述电调控单元140可以为变容二极管、pin管或MEMS开关。

在本实施例中，当所述电调控单元140为变容二极管时，该变容二极管的电容变化范围为0.1~1pF，对应加电电压为0~20V。

例如，请参照图11，当所述电调控单元140为变容二极管，所述超表面阵列结构的工作频段为3.5GHz时，所述阵列单元100的反射相位从133°改变为-165°，其相位变化的范围接近300°。

请参照图12，以一维扫描为例，当所述超表面阵列结构的工作频段为3.5GHz，所述电调控单元140为变容二极管，扫描角度为0°、30°和45°时，所述超表面阵列结构对应的最大增益分别为24.2dBi、20.9dBi和19.5dBi。具体地，在不同的扫描角度下，所述阵列单元100中每个变容二极管140的电容取值会发生变化，电容取值可通过集线端上的加电电压来实现。

综上所述，本实施例提供一种超表面阵列结构，通过将接地图案贴片、反射阵列图案贴片、偏置线以及电调控单元同层设置，只需要用一块单面承载板即可实现原有的超表面阵列功能，能够减少制作工艺，降低加工成本，提高加工效率；同时，通过偏置线改变电调控单元的元件参数，可以实现阵列单元的反射相位的调整。另外，本申请实施例提供的一种超表面阵列结构能够将基站辐射的信号反射到信号盲区，从而实现通信补盲以及小区边缘区域的速率提升。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超表面阵列结构，其特征在于，包括:

承载板；

位于所述承载板一侧的多个呈阵列排布的阵列单元；

其中，所述阵列单元包括同层设置的接地图案贴片、反射阵列图案贴片、偏置线以及电调控单元；

所述偏置线包括第一端和第二端，所述第一端与所述反射阵列图案贴片连接，所述第二端延伸至所述承载板的至少一个侧边；

所述接地图案贴片与所述反射阵列图案贴片之间具有耦合缝隙，所述电调控单元连接于所述接地图案贴片与所述反射阵列图案贴片之间；

所述接地图案贴片包括第一镂空区，所述第一镂空区位于所述接地图案贴片的中心区域；所述反射阵列图案贴片位于所述第一镂空区内；

所述接地图案贴片还包括与所述第一镂空区连通的第一走线槽，所述第一走线槽从所述接地图案贴片中心区域向远离所述接地图案贴片中心区域的方向延伸；所述第一走线槽两侧的所述接地图案贴片断开；所述偏置线经所述第一走线槽从所述接地图案贴片中心区域延伸至所述接地图案贴片外侧；

多个所述阵列单元沿第一方向和第二方向呈阵列分布，所述第一方向与所述第二方向垂直；

在所述第一方向上，同一列的多个所述阵列单元的所述接地图案贴片连接为一个整体；

在所述第二方向上，相邻两列所述阵列单元之间具有沿所述第一方向延伸的第二走线槽；

在所述第一方向上，同一列的多个所述阵列单元中所述第一走线槽均沿所述第二方向同向延伸，且均与同一所述第二走线槽连通；同一列中的多个所述阵列单元的所述偏置线经其对应的所述第一走线槽延伸至同一所述第二走线槽后，经所述第二走线槽分别延伸至所述承载板的至少一个侧边。

2.根据权利要求1所述的超表面阵列结构，其特征在于，同一列的多个所述阵列单元分为沿所述第一方向排列的第一组和第二组，所述第一组中的多个所述阵列单元的偏置线经所述第二走线槽延伸至所述承载板的一端，所述第二组中的多个阵列单元的偏置线经所述第二走线槽延伸至所述承载板的另一端；

所述超表面阵列结构还包括与所述接地图案贴片同层设置的连接贴片，所述连接贴片位于所述第一组和第二组之间，所述连接贴片分别与多列所述阵列单元的接地图案贴片连接。

3.根据权利要求1所述的超表面阵列结构，其特征在于，所述电调控单元在所述第一方向上连接于所述接地图案贴片和所述反射阵列图案之间。

4.根据权利要求1所述的超表面阵列结构，其特征在于，所述超表面阵列结构还包括与多个所述偏置线连接的电压调整装置，所述电压调整装置用于调整各所述偏置线加载的电压以调整各所述阵列单元的反射相位；

所述电压调整装置控制所述反射阵列中各所述阵列单元的反射相位，第个所述阵列单元的反射相位/>满足以下约束：

其中，k为自由空间波数，为第(i,j)个阵列单元的坐标，/>为出射波束指向，/>为入射波束指向。

5.根据权利要求1所述的超表面阵列结构，其特征在于，所述接地图案贴片还包括位于所述第一镂空区和所述第二走线槽之间且与所述第一走线槽连通的第二镂空区，所述第二镂空区以所述第一走线槽的延伸方向为轴对称设置；

所述阵列单元还包括位于第二镂空区内的滤波枝节，所述滤波枝节与位于所述第一走线槽内的所述偏置线连接，且所述滤波枝节与所述偏置线垂直，所述滤波枝节以所述第一走线槽内的所述偏置线为轴对称设置。

6.根据权利要求5所述的超表面阵列结构，其特征在于，所述第二镂空区沿所述第一方向延伸的边缘呈N级阶梯状，N≥1且N为整数。

7.根据权利要求1所述的超表面阵列结构，其特征在于，所述电调控单元为变容二极管、pin管或MEMS开关。