CN117374605B - 一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，解决了全向放大与操控目标信号并同时过滤干扰信号的问题。本发明的智能全向超表面包括M行N列的超表面单元；每个超表面单元包括自上而下设置的谐振结构层、支撑层和馈电层，谐振结构层包括方形开口谐振环和焊接在其中心位置的具有负阻特性的开关器件，且谐振环设有两条狭缝；方形开口谐振环的尺寸使超表面能被入射电磁波激发LC共振。本发明超表面的应用方法，包括：谱奇点频率的电磁波入射超表面时，进行全向放大并同时能够操控全空间波束偏转方向；全反射点频率的电磁波入射超表面时，进行滤波；无反射点频率的电磁波入射超表面时，不影响传播。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，属于通信技术领域。
背景技术
可编程智能超表面是新兴的一种人工电磁结构，通常集成开关二极管、变容二极管等电控集总元件，可以通过控制电路改变集总元件的工作状态来改变超表面对于电磁信号的响应，从而能够灵活调控电磁信号的传输路径、振幅、相位以及极化方式等特性，有望用于提升无线通信网络性能。与传统的中继器、多输入输出等技术相比，可编程智能超表面具有成本低、结构简单、易部署等优势，因而在通信技术领域备受关注，具有不同功能的可编程智能超表面应运而生。
但是前期的研究主要聚焦于透射式或反射式的可编程智能超表面，只能服务于透射侧或反射侧的半个空间，限制了通信系统的服务范围。为解决这个问题，能够同时服务于反射和透射侧的智能全向超表面被提出。尽管如此，能够克服电磁信号损耗问题的全向超表面仍然是一个巨大的挑战。这是因为现有补偿电磁信号损耗的方法通常涉及在超表面中嵌入放大器，而放大器固有的单向性会导致超表面具有单向性(即只能增强反射或发射侧的电磁波)，和非互易性(即只能增强某一侧入射的电磁波)，这不可避免地导致一侧出现通信盲区。为创造无处不在的数据服务，有必要研究能够增强来自全空间的信号，并同时服务于透射侧和反射侧的智能全向超表面。
更进一步地，随着电磁通信环境日益复杂，除了要增强目标信号之外，为实现安全、稳定通信，还要求设备能够过滤干扰信号，同时又不影响环境中其他无关信号传播。但是迄今为止，尚未有这样既能增强全空间目标信号，又能过滤干扰信号，同时还不干扰其他信号的智能全向超表面被公开。
发明内容
针对如何全向放大与操控目标信号并同时过滤干扰信号的问题，本发明提供一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面。
本发明的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，包括M行N列的超表面单元；每个所述超表面单元包括自上而下设置的谐振结构层、支撑层和馈电层，其中谐振结构层包括方形开口谐振环和焊接在其中心位置的具有负阻特性的开关器件，且方形开口谐振环左右两侧边的正中位置各有一条狭缝；馈电层透过支撑层为开关器件供电，方形开口谐振环的长度、宽度以及开口狭缝大小使超表面能被入射电磁波激发LC共振。
作为优选，根据入射电磁波频率确定方形开口谐振环的长度、宽度以及开口狭缝的尺寸，并选择相应工作频段的具有负阻特性的开关器件的类型。
作为优选，所述支撑层由Rogers RT5880介质板构成。
作为优选，所述馈电层包括上下两条水平铜带，铺设在支撑层的背面，与方形开口谐振环的上下边缘对齐，经由金属化通孔与正面的谐振结构层连接，用于向开关器件供电。
作为优选，所述方形开口谐振环的开口狭缝与工作时入射电磁波的电场极化方向垂直。
作为优选，所述方形开口谐振环的开口狭缝与工作时入射电磁波的磁场极化方向平行。
作为优选，所述谐振结构层和馈电层均为厚度相同的铜质金属层。
作为优选，所述具有负阻特性的开关器件为隧道二极管TD261A。
本发明还提供了一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面的应用方法，方法包括：
谱奇点频率的电磁波入射超表面时，进行全向放大并同时能够操控全空间波束偏转方向；
全反射点频率的电磁波入射超表面时，进行滤波；
无反射点频率的电磁波入射超表面时，不影响传播。
作为优选，M行N列的超表面单元中每行的N个超表面单元构成一个子阵，每个子阵的超表面单元由同一控制信号控制电压，通过施加电压控制具有负阻特性的开关器件的状态，进而操控谱奇点频率下全空间放大信号的偏转。
本发明的有益效果，本发明通过嵌入具有负阻特性的开关器件将谱奇点概念引入可编程智能超表面，从而能够实现全空间放大电磁波；与使用两个相同的单边放大器实现全向放大相比，本发明不需要复杂、庞大的电路，设计简单，加工方便；并通过实例仿真验证，在目标频率附近实现了透射信号和反射信号同时显著增强，且通过控制电路改变编码序列能够实时操控全空间放大信号的偏转方向。本发明工作在干扰信号附近时，电磁信号无法穿透，全部被阻挡在反射侧。本发明在除目标信号和干扰信号外相当宽的频段（该频段包括无反射点）内透射率都为1，对这些信号的透射传播不造成影响。与现有技术相比，本发明不仅可以放大与操控全空间目标电磁信号，还能在不影响无关频段通信的情况下过滤干扰信号。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面单元的结构示意图，其中，1表示方形开口谐振环；2表示隧道二极管；3表示Rogers RT5880介质板；4表示水平铜带；5表示金属化通孔；
图2为本发明实施例使用的隧道二极管TD261A的伏安特性曲线图，其中，I（A）表示电流，U（V）表示电压；
图3为本发明实施例使用的隧道二极管TD261A的负阻区等效电路图；
图4为本发明实施例中仿真得到的超表面的S参数,其中（a）为隧道二极管加载0.2V偏压时的S参数，（b）为隧道二极管加载0V偏压时的S参数；
图5为本发明实施例中提供的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面结构示意图，其中（a）为实施例正面结构示意图，（b）为实施例背面结构示意图；
图6为本发明实施例仿真得到的在谱奇点频率3.89 GHz下，电磁波从正面入射时不同编码下的归一化远场散射图，其中（a）、（b）和（c）分别对应111111111111111、111000111000111、111110000011111的编码序列；
图7为本发明实施例仿真得到的在谱奇点频率3.89 GHz下，电磁波从背面入射时不同编码下的归一化远场散射图，其中（a）、（b）和（c）分别对应111111111111111、111000111000111、111110000011111的编码序列；
图8为本发明实施例仿真得到的在无反射点频率4.97GHz下二极管全部打开时的远场散射图，其中，（a）为电磁波从正面入射时编码为111111111111111情况下的归一化远场散射图，（b）为电磁波从背面入射时编码为111111111111111情况下的归一化远场散射图；
图9为本发明实施例仿真得到的在全反射点频率7.27GHz下二极管全部打开时的远场散射图，其中，（a）为电磁波从正面入射时编码为111111111111111情况下的归一化远场散射图，（b）为电磁波从背面入射时编码为111111111111111情况下的归一化远场散射图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，包括M行N列的超表面单元；每个超表面单元包括自上而下设置的谐振结构层、支撑层和馈电层，其中谐振结构层包括方形开口谐振环和焊接在其中心位置的具有负阻特性的开关器件，且方形开口谐振环左右两侧边的正中位置各有一条狭缝；馈电层透过支撑层为具有负阻特性的开关器件供电，方形开口谐振环的长度、宽度以及开口狭缝大小使超表面能被入射电磁波激发LC共振。
本实施的原理如下：
根据等效电路模型，超表面的反射系数S11和透射系数S21的表达式为：
，/>，
其中Y为超表面的导纳，是真空自由阻抗，/>是入射角。从上式可以看出，要激发透射系数和反射系数趋于无穷的谱奇点，则在正入射下（/>），超表面导纳Y应该满足：虚部/>，实部/>。虚部/>则意味着发生LC共振，这可以通过调节方形开口谐振环的长度、宽度以及开口狭缝的大小来实现。而实部/>则意味着超表面的阻值为负，这可以通过引入负电阻器件，比如隧道二极管（一种基于量子隧道效应的半导体微波器件）、耿氏二极管、PNPN四层二极管、雪崩晶体管、雪崩复合低位开关、λ二极管、λ双极型晶体管、λMOSFET管来实现。所以要激发透射系数和反射系数趋于无穷的谱奇点，需要调整方形开口谐振环的长度、宽度以及开口狭缝大小使超表面能被入射电磁波激发LC共振及采用具有负阻特性的开关器件。当谱奇点频率的电磁波入射超表面时，就会实现全空间放大功能，即反射信号和透射信号同时被显著放大。本实施方式对目标信号实现全空间放大具体指在谱奇点频率下，智能全向超表面对于从正面、背面入射的信号都能够实现透射侧与反射侧同步的增强。同时，本实施方式M行N列的超表面单元中每行的N个超表面单元构成一个子阵，每个子阵的超表面单元由同一控制信号控制电压，通过施加电压控制具有负阻特性的开关器件的状态，进而在透射侧与反射侧实时操控谱奇点频率下全空间放大信号的偏转。
此外，从超表面反射系数S11和透射系数S21的表达式中还可以看出，要使电磁波百分百透过超表面，即透射率为1，则超表面的导纳Y应该满足：虚部，实部/>；要使电磁波无法透过超表面，即透射率趋于0，则超表面的导纳Y应该满足：虚部/>，实部。本实施方式可通过控制入射电磁波的频率实现电磁波百分百透过超表面或电磁波无法透过超表面，即：无反射点频率的电磁波入射时，百分百透过超表面，不影响传播；全反射点频率的电磁波入射时，无法透过超表面，进行滤波。所以本实施方式既能对目标频率信号实现全空间放大与实时操控，又能对干扰频率信号实现过滤，同时还对其他无关信号的透射传播不造成影响。
具体实施例：本实施例中使用的负阻器件是New Jersey Semiconductor公司的TD261A隧道二极管，提供一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，其基本单元如图1所示，自上而下包括三层，依次是：
第一层为谐振结构层，包括方形开口谐振环1及焊接在其中心的隧道二极管2，方形开口谐振环1铺设于支撑层正面，具有两条位于左右两侧正中位置的狭缝，其具体尺寸为：宽度a=5.1mm，长度b=9.5mm，铜带宽c=0.7mm，左右两侧缝隙宽度为e=0.1mm，整个谐振结构层的厚度为0.035mm；隧道二极管2焊接在方形开口谐振环1中心宽度为d=2.5mm的缝隙中；
第二层为支撑层，由为Rogers RT 5880(ε=2.2，tanδ= 0.0009)介质板3构成，厚度为1.01mm，其宽度为A=15.1mm，长度为B=19.5mm，用来为谐振结构层和馈电层提供支撑；
第三层为馈电层，包括上下两条宽为c=0.7mm，长度B=19.5mm的水平铜带4，分别通过其中间的金属化通孔5与隧道二极管2的正负极连接，用于为隧道二极管2提供电压；金属化通孔5的尺寸为2r=0.4mm；馈电层厚度与谐振结构层厚度一致，均为0.035mm。
隧道二极管2的伏安特性曲线如图2所示，在0.08-0.4V区间内，隧道二极管2两端电流随着所加电压的增加而减小，曲线斜率为负，即微分电阻为负，故而被称作负阻区。隧道二极管2的负阻区等效电路如图3所示，具体的，在0.2V下，寄生电阻，寄生电感，寄生电容/>，负阻/>。
本实施例仿真得到超表面基本单元的S参数如图4所示，其中（a）为隧道二极管加载0.2V偏压时的S参数，实心圆点代表反射系数S11，空心圆圈代表透射系数S21，可以看到，在3.89 GHz这里是目标信号频率、谱奇点频率附近，S11和S21都表现出高达30 dB以上的超尖锐响应，半高宽度仅跨越0.03 GHz，表明此时谱奇点被激发，反射侧和透射侧信号同时被显著增强30dB以上。另外，当且仅当在7.27GHz下，透射系数S21低于0dB，且低至-10dB以下，而此时反射系数却接近0dB，对应全反射，表明此频率下的电磁信号无法穿透超表面，被阻挡在超表面反射侧。除谱奇点和全反射点之外，透射系数S21在相当宽的范围内都保持为0dB，表明谱奇点和全反射点之外的电磁信号能够百分百透过超表面，超表面的存在不影响其原本的透射传播。特别地，在4.97GHz处，反射系数S11则从谱奇点的30 dB下降到-40dB，反射几乎消失，此频率下超表面表现出了隐形般的透明。同时从如图4中（a）也能看出，透射率在相当宽的频段内都是1，对应图中0dB的S21，表明本实施方式的超表面不会影响这些透射率为1的宽频段内信号的透射传播。特别地，在无反射点几乎没有反射，而在无反射点之外的其他频率会有不同程度的轻微反射，影响可忽略，这个透射率为1的宽频段需要根据超表面的结构来确定。作为对比，图4中（b）展示了隧道二极管加载0V偏压时的S参数，其中虚线代表反射系数S11，实线代表透射系数S21，可以看到，此时反射信号和透射信号都未被增强，低于0dB，远小于0.2V偏压下谱奇点被激发时的信号强度。基于0V和0.2V偏压下信号强度的显著差异，可将两种状态分别编码为“0”和“1”。
图5展示了由M*N个上述超表面单元构成的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，在本实施例中具体为M=15，N=5；每行的5个超表面单元构成一个小子阵，子阵中的单元由同一信号控制，各个子阵可由现场可编程门阵列（FPGA）提供控制信号，具体的，控制电压为0V的子阵编码为“0”，控制电压为0.2V的子阵编码为“1”。通过FPGA控制子阵编码序列就能够实时操控谱奇点频率下全空间放大信号的偏转。在谱奇点处，隧道二极管2加载0.2V偏压（即编码为“1”）的子阵列所辐射出的电磁信号强度远远大于隧道二极管2加载0V偏压（即编码为“0”）的子阵列，因此忽略“0”编码子阵列对电磁信号的散射就能够很容易地推导出电磁信号旁瓣的偏转角为：，其中/>为整数，/>为入射电磁信号的波长，d为编码周期距离，具体的，当编码为111000111000111时，d=6A=90.6mm。
图6展示了本实施例提供的智能全向超表面在谱奇点频率3.89 GHz下电磁波从正面入射时编码为111111111111111、111000111000111和111110000011111情况下的归一化远场散射图，可以看出本实施例提供的智能超表面可以向反射侧和透射侧平等、均匀地辐射增强的电磁信号。在上述三种编码序列下，理论推导出的偏转角分别为：0°、180°，0°、±58.3°、±121.7°、 180°，以及0°、±30.7°、±149.3°、180°，从图6中（a）、（b）和（c）可以看出仿真结果与理论计算基本相符，表明本实施例提供的智能超表面能够依据简单的理论模型实现全向信号的实时操控。另外，图6中远场散射图强度是相较于隧道二极管2全部加载0V偏压的超表面（相当于传统的损耗型超表面）的最强散射场强度归一化的结果，三种编码情况下的电磁信号均被显著增强，图6中（a）表明编码为111111111111111的智能超表面能够实现电磁信号主瓣增强12倍，即21.6dB；图6中（b）表明编码为111000111000111的智能超表面能够实现电磁信号主瓣增强15倍，即23.5dB，旁瓣增强7倍，即16.9dB；图6中（c）表明编码为111110000011111的智能超表面能够实现电磁信号主瓣增强11倍，即20.8dB，旁瓣增强6.5倍，即16.3dB。
图7展示了本实施例提供的智能全向超表面在谱奇点频率3.89 GHz下电磁波从背面入射时编码为111111111111111、111000111000111和111110000011111情况下归一化远场散射图。通过对比图7和图6可以看到本实施例提供的智能全向超表面在电磁波从背面入射时对谱奇点频率电磁波的增强与实时操控能力均与电磁波从正面入射时相当，表明本实施例提供的智能超表面具有很好的互易性，能够均匀接收来自全空间的电磁信号，实现反射侧与透射侧同时地、平等地放大与实时操控偏转。
图8中（a）和（b）分别展示了本实施例提供的智能全向超表面在无反射频率4.97GHz下电磁波从正面入射和背面入射时，编码为111111111111111情况下的归一化远场散射图，可以看到此频率下的电磁信号几乎完全穿透超表面，不受影响地继续向前传播。
图9中（a）和（b）展示了本实施例提供的智能全向超表面在全反射频率7.27GHz下电磁波从正面入射和背面入射时编码为111111111111111情况下的归一化远场散射图，可以看到此频率下的电磁信号几乎无法穿透超表面，被阻挡在反射侧。
需要说明的是，如果需要工作在本实施例中示范的频段之外，根据入射电磁波频率确定方形开口谐振环1的长度、宽度以及开口狭缝的尺寸，并选择相应工作频段的具有负阻特性的开关器件的类型即可实现。
综上所述，本发明提出了一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，通过在开口谐振环1结构中加载具有负阻特性的开关器件来满足谱奇点的触发条件，实现透射侧和反射侧信号同时显著增强。更进一步地，在谱奇点频率下，本发明还可通过控制电路对智能全向超表面编码进而实时操控谱奇点频率下全空间放大信号的偏转。此外，本发明还具有很好的互易性，能够平等、均匀地接收来自全向的电磁信号，突破了现有基于放大器可编程智能超表面的单向性、非互易性限制，能够同时服务全空间（包括反射侧和透射侧）的多个用户。另外，本发明同时还能将干扰电磁信号阻挡在反射侧，实现对干扰频率的过滤的同时不影响其他频率信号的传播。总的来说，本发明所提出的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面可以满足在复杂电磁环境中需要全向放大和实时操控目标信号、过滤干扰信号同时不影响其他无关信号的应用场景，在新一代无线通信系统中可应用为能够服务全空间、多用户的全双工中继器或者微基站，用于扩大通信系统的服务范围，避免通信盲区，提供无处不在的数据服务。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (9)
1.一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，其特征在于，包括M行N列的超表面单元；每个所述超表面单元包括自上而下设置的谐振结构层、支撑层和馈电层，其中谐振结构层包括方形开口谐振环和焊接在其中心位置的具有负阻特性的开关器件，且方形开口谐振环左右两侧边的正中位置各有一条狭缝；馈电层透过支撑层为开关器件供电，方形开口谐振环的长度、宽度以及开口狭缝大小使超表面能被入射电磁波激发LC共振，同时负阻器件能够使发生LC共振时超表面导纳Y的实部为虚部Yi＝0，激发透射系数和反射系数趋于无穷的谱奇点，Z0是真空自由阻抗；
根据入射电磁波频率确定方形开口谐振环的长度、宽度以及开口狭缝的尺寸，并选择相应工作频段的具有负阻特性的开关器件的类型；
谱奇点频率的电磁波入射超表面时，进行全向放大并同时能够操控全空间波束偏转方向；
全反射点频率的电磁波入射超表面时，进行滤波。
2.根据权利要求1所述的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，其特征在于，所述支撑层由Rogers RT5880介质板构成。
3.根据权利要求1所述的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，其特征在于，所述馈电层包括上下两条水平铜带，铺设在支撑层的背面，与方形开口谐振环的上下边缘对齐，经由金属化通孔与正面的谐振结构层连接，用于向开关器件供电。
4.根据权利要求1所述的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，其特征在于，所述方形开口谐振环的开口狭缝与工作时入射电磁波的电场极化方向垂直。
5.根据权利要求1所述的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，其特征在于，所述方形开口谐振环的开口狭缝与工作时入射电磁波的磁场极化方向平行。
6.根据权利要求1所述的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，其特征在于，所述谐振结构层和馈电层均为厚度相同的铜质金属层。
7.根据权利要求1所述的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，其特征在于，所述具有负阻特性的开关器件为隧道二极管TD261A。
8.一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面的应用方法，应用于权利要求1至7任一所述集成全空间放大与滤波的智能全向超表面，其特征在于，方法包括：
无反射点频率的电磁波入射超表面时，不影响传播。
9.根据权利要求8所述的一种集成全空间放大与滤波的智能全向超表面的应用方法，其特征在于，M行N列的超表面单元中每行的N个超表面单元构成一个子阵，每个子阵的超表面单元由同一控制信号控制电压，通过施加电压控制具有负阻特性的开关器件的状态，进而操控谱奇点频率下全空间放大信号的偏转。
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