CN117438793A - 一种宽带反射超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带反射超表面及其控制方法，其核心设计包含以下步骤：确定超表面的工作频段，确定超表面的单元结构，根据不同的延续性子单元谐振特性和相位特性确定超表面单元的介质基板材质以及厚度，确定具体的亚波长子单元结构的便面结构以及参数，确定单元以及阵列馈电结构。研究不同极化的电磁波在正入射和斜入射条件下单元以及阵列的反射特性。得到阵列增益方向图，完成整个宽带反射阵的设计。
Description
技术领域
本发明属于电磁通信技术领域，具体涉及无线通信技术领域中的一种宽带反射超表面及其控制方法。
背景技术
电磁超表面是一种由亚波长单元结构在二维平面上按照某种特定方式排布而成的人工复合电磁结构。电磁超表面通过改变单元等效的电阻抗、磁阻抗以及相位等方式来实现其对电磁波多种形式的调控。宽带反射超表面是下一代移动通信系统中具有极高研究价值的前沿技术，对于实现波束赋形、波束调控和时空编码有着很大的意义。目前，电磁超表面在室内外信号增强等实际应用场景已经有了较为广泛的使用。
由于空天地一体化背景的影响，目前卫星通信的工作频段大多集中在Ku波段（10.75GHz-18GHz）和Ka波段（26.5GHz-40GHz）。目前工作在Ka波段的反射超表面工作带宽较窄。
发明内容
本发明针对目前反射超表面工作频段较窄的缺点，提出一种工作于22GHz-30GHz的宽带反射超表面，能够实现更大的频带覆盖，发射电磁波，进行波束调控，可以进行时空编码。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：一种宽带反射超表面，包括若干个阵列控制的宽带反射单元，所述每个宽带反射单元包括从上之下依次设置的金属贴片层、耦合层，地层、粘接层、扇形扼流层和介质层，以及金属化过孔，
所述金属贴片层设在耦合层上表面，包括两个金属反射贴片，且两个金属反射贴片分别作为正负极连接有二极管，当金属反射贴片接收不同偏置电压下的入射电磁波时，所述二极管在不同偏置电压下具有不同响应；所述金属反射贴片为具有多个宽度的凸台形状；
所述耦合层采用PTFE复合材料，用于将入射电磁波被激化后与金属贴片层进行耦合；
所述地层为设在耦合层下表面的金属铜层，用于隔绝滤波；
所述介质层通过粘接层与地层相连，用于隔绝地层与馈电控制层；
所述扇形扼流层与金属贴片层上的两个金属反射贴片相对应设置，为1/4波长的扇形金属贴片，用于扼流。
所述介质层的外表面还设有与两个金属反射贴片对应的馈电控制层，所述馈电控制层为两个环形金属焊盘；
所述金属化过孔贯宽带反射单元，并将金属反射贴片与对应馈电控制层实现金属连接。
作为优选方案，所述宽带反射单元采用阵列布置形成宽带反射超表面，所述宽带反射单元的外形尺寸为5mm*5mm。
作为优选方案，所述耦合层与介质层均采用高介质常数的介质板。
作为优选方案，所述耦合层与介质层均采用罗杰斯板3003材质。
作为优选方案，所述二极管采用PIN二极管，并具有以下两种状态：当被施加正偏置电压时，呈截止状态；当被施加负偏置电压时，呈导通状态。
作为优选方案，所述金属反射贴片为具有3个不同宽度的凸台形状，且宽度由外至内逐渐梯度减小，从而提高反射超表面工作频段。
作为优选方案，所述金属反射贴片的凸台性状的宽度依次为3mm,2.4mm,1.5mm。
作为优选方案，所述宽带反射单元采用4*4阵列、8*8阵列或16*16阵列。
有益效果，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）通过利用金属贴片层、耦合层、地层、粘结层、介质层、馈电控制层和金属化过孔实现了宽带反射超表面的整体结构中直流层与交流层之间的隔离，有效地降低了馈电控制层对于金属贴片层和耦合层的影响。（2）本发明宽带反射单元采用不同宽度金属贴片对不同频率进行响应实现了大带宽调控，同时采用5mm尺寸仿真结果显示相较于成对矩形贴片，实现满足相位差下的更大带宽范围。（3）本发明所提供的宽带超表面反射单元在22GHz-30GHz频带上两个状态均实现了反射幅值大于-2.2dB。（4）本发明所提供的宽带超表面反射单元在22GHz-30GHz频带上两个状态之间的反射相位差满足180°±20°，可以实现效果极好的相位调制。（5）本发明所提供的宽带超表面反射单元在22GHz-30GHz频带上实现了30％的相对带宽。
附图说明
为了更清楚地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的附图作简单介绍。
图1是本发明中宽带反射超表面单元的结构示意图。
图2是本发明中宽带反射超表面单元的结构俯视图。
图3是本发明中宽带反射超表面单元的结构右侧图。
图4是本发明中宽带反射超表面单元的结构底面图。
图5是本发明实施例宽带反射超表面单元的反射幅值图。
图6是本发明实施例宽带反射超表面单元的反射相位图。
其中，金属贴片层1、金属反射贴片2、二极管3、耦合层4、地层5、粘接层6、介质7、扇形扼流层8、馈电控制层9、金属化过孔10。
实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
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。
如图1-4所示，本发明的宽带反射超表面，包括由16*16的阵列的宽带反射单元构成，该宽带反射单元包括：金属贴片层、耦合层、地层、粘结层、介质层、馈电控制层和金属化过孔，其中：
所述耦合层采用罗杰斯板3003材质，包含两个通过蚀刻得到的金属反射贴片以及设置在金属贴片之间的1个二极管，两个金属贴片用于充当PIN二极管的正极和负极，PIN二极管在不同的偏置电压下对入射电磁波具有不同的响应，分别控制反射单元的两种状态。二极管被施以正偏置电压，呈截止状态；二极管被施以负偏置电压，呈导通状态。
所述耦合层和介质层都具有高的介电常数，耦合层与金属贴片层相对设置，用于入射电磁波被激化后与金属贴片层进行耦合。
所述地层为耦合层背面的金属铜膜，其与耦合层相对设置，用于隔绝滤波。
所述粘结层采用OCA光刻胶（具有较高介电常数的胶体介质）与地层相对设置，用于粘接地层与介质层；
所述介质层用于隔绝地层与馈电控制层，其上表面设有对应的两个扇形扼流层，下表面设有两个环形金属焊盘。
所述馈电控制层与介质层相对设置，馈电控制层包括2个金属焊盘并通过金属化过孔与金属贴片层相连接，用于控制所述二极管的工作状态；
所述金属化过孔置于所述金属贴片层与所述馈电控制层之间，用于所述馈电控制层为所述金属贴片层馈电。
所述地层上置有2个圆形通孔，用于通过金属贴片层的接地针。
金属化过孔纵向贯穿整个带宽反射单元，将金属反射贴片、扇形扼流层和馈电控制层连通。
当本发明反射单元接受入射电磁波时，所述耦合层与金属贴片层被激发而相互耦合；通过控制所述二极管的状态，以对入射电磁波进行调控。
实施例
如图5所示，为本实施例宽带反射超表面单元在二极管导通和截至状态的反射幅值，在22GHz-30GHz频带范围内，所述超表面反射单元两个工作状态的幅值皆大于-2.2dB。
如图6所示，为本实施例宽带反射超表面单元在二极管导通和截至状态的反射相位，在22GHz-30GHz频带范围内，所述超表面反射单元两个工作状态的反射相位之间的相位差为180°±20°，反射相位在22GHz-30GHz频带范围内近乎平行状态，能够实现宽带反射超表面的工作特性。
如图5-6所示，展示了所述宽带超表面单元的幅值和相位特性，实现了对入射电磁波进行[0,π]相位调制。同时，本实施例的宽带超表面单元可以达到30％的相对带宽。
综上所述，本发明的宽带反射超表面及其控制方法，具有以下有益效果：
通过利用金属贴片层、耦合层、地层、粘结层、介质层、馈电控制层和金属化过孔实现了宽带反射超表面的整体结构中直流层与交流层之间的隔离，有效地降低了馈电控制层对于金属贴片层和耦合层的影响；
本发明所提供的宽带超表面反射单元在22GHz-30GHz频带上两个状态均实现了反射幅值大于-2.2dB；
本发明所提供的宽带超表面反射单元在22GHz-30GHz频带上两个状态之间的反射相位差满足180°±20°，可以实现效果极好的相位调制；
本发明所提供的宽带超表面反射单元在22GHz-30GHz频带上实现了30％的相对带宽。
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 (8)
1.一种宽带反射超表面，其特征在于：包括若干个阵列控制的宽带反射单元，所述每个宽带反射单元包括从上之下依次设置的金属贴片层、耦合层，地层、粘接层、扇形扼流层和介质层，以及金属化过孔，
所述金属贴片层设在耦合层上表面，包括两个金属反射贴片，且两个金属反射贴片分别作为正负极连接有二极管，当金属反射贴片接收不同偏置电压下的入射电磁波时，所述二极管在不同偏置电压下具有不同响应；所述金属反射贴片为具有多个宽度的凸台形状；
所述耦合层采用PTFE复合材料，用于将入射电磁波被激化后与金属贴片层进行耦合；
所述地层为设在耦合层下表面的金属铜层，用于隔绝滤波；
所述介质层通过粘接层与地层相连，用于隔绝地层与馈电控制层；
所述扇形扼流层与金属贴片层上的两个金属反射贴片相对应设置，为1/4波长的扇形金属贴片；
所述介质层的外表面还设有与两个金属反射贴片对应的馈电控制层，所述馈电控制层为两个环形金属焊盘；
所述金属化过孔贯宽带反射单元，并将金属反射贴片与对应馈电控制层实现金属连接。
2.根据权利要求1所述宽带反射超表面，其特征在于：所述宽带反射单元采用阵列布置形成宽带反射超表面，所述宽带反射单元的外形尺寸为5mm*5mm。
3.根据权利要求1所述宽带反射超表面，其特征在于：所述耦合层与介质层均采用高介质常数的介质板。
4.根据权利要求3所述宽带反射超表面，其特征在于：所述耦合层与介质层均采用罗杰斯板3003材质。
5.根据权利要求1所述宽带反射超表面，其特征在于：所述二极管采用PIN二极管，并具有以下两种状态：当被施加正偏置电压时，呈截止状态；当被施加负偏置电压时，呈导通状态。
6.根据权利要求2所述宽带反射超表面，其特征在于：所述金属反射贴片为具有3个不同宽度的凸台形状，且宽度由外至内逐渐梯度减小。
7.根据权利要求6所述宽带反射超表面，其特征在于：所述金属反射贴片的凸台性状的宽度依次为3mm,2.4mm,1.5mm。
8.根据权利要求2所述宽带反射超表面，其特征在于：所述宽带反射单元采用4*4阵列、8*8阵列或16*16阵列。
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