CN118017229A - 一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面 - Google Patents
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Abstract
一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，包括中间介质板及介质板两面分别设置的微波结构和底层金属，所述底层金属两侧设有偏置线，微波结构两侧分别设有顶层金属；所述介质板为单层介质板，两侧对称均布有金属通孔；单层介质板通过金属通孔即可连接顶层金属及底层金属，构成折叠的金属板，结合单层的介质板两侧印刷的微波结构区和偏置线的布线区，在单层介质板上实现单元结构区和布线区隔离，提供两个相互之间隔离的电磁空间，解决了在设计单元独立可控的可重构智能表面时，因兼顾偏置线布局而采用多层介质板设计带来的制造成本高的问题；本发明结构简单、体积小、成本低，具有更广泛的应用空间的优点。
Description
技术领域
本发明属于无线技术领域，具体是一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面。
技术背景
近年来，大量的理论创新和原型测试工作论证了可重构智能表面技术在低成本、低功耗和易部署等方面具有优势，在5G+和未来6G网络中都具有很多潜在机遇和应用前景技术。可重构智能表面具有低成本、低能耗、可编程和易部署的特点。作为天线，可重构智能表面可以实现高增益，快速波束扫描。通过构建智能可控的无线环境，可重构智能表面有机会突破传统无线通信的束缚，为未来的移动通信网络带来全新的范式。
可重构智能表面通常由大量精心设计的电磁单元组成。通过向电磁单元上的可调元件施加控制信号，可重构智能表面可以动态控制这些电磁单元的电磁特性，从而以可编程的方式实现空间电磁波的主动智能控制，形成相位、幅度、极化和频率可控的电磁场。其中，由于PIN二极管工作频率高，控制简单，以PIN二极管为电可调器件的可重构智能表面设计得到了许多研究。在设计单元独立可控的可重构智能表面时，设置偏置线带来的成本往往不能忽视。
目前，具有单元独立可控特征的可重构智能表面单元的层叠结构，普遍采用微波结构-金属板-偏置线的三层金属夹两层介质的多层堆叠结构，其结构包括微波结构区、金属板、介质板与偏置线的布线区。在一般的可重构智能表面单元设计中，单元在加工制造时采用多层介质电路板。相比于单层介质电路板，多层介质电路板在板材消耗和工艺流程等方面使得电路板加工成本提高。而在微波低频段，可重构智能表面尺寸较大，阵面的制造成本将显著提高。
在现有的可重构智能表面，单层介质板设计，往往令同一列单元连接同一根偏置线，这使得阵面实际上仅具有一维控制的能力，且由于偏置线本身作为单位微波结构的一部分进行设计，使得这样的单元难以被独立控制。目前尚且没有可以在单层介质板上加工且具有单元独立控制能力的可重构智能表面单元的系统设计。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，通过单层介质板及折叠式金属板设计制作低成本独立可控的可重构智能表面，体积小，结构简单，且独立可控，大大降低了传统的微波结构-金属板-偏置线的三层金属夹两层介质的多层堆叠结构可重构智能表面的尺寸和成本，同时突破了目前单侧介质板的可重构智能表面不具备独立控制能力的短板，具有轻便实用、成本低、独立可控，应用范围更广的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，包括中间介质板4及介质板4两面分别设置的微波结构5-3和底层金属5-1，所述底层金属5-1两侧设有偏置线7，微波结构5-3两侧分别设有顶层金属5-2；所述介质板4为单层介质板，两侧对称均布有金属通孔6。
所述顶层金属5-2近微波结构5-3的一侧设置有与介质板4的金属通孔6相适配的第一连接孔6-2；底层金属5-1的两侧设置有与介质板4的金属通孔6相适配的第二连接孔6-3。
所述金属通孔6、第一连接孔6-2和第二连接孔6-3将底层金属5-1与顶层金属5-2相连通，构成折叠的金属板10。
所述的微波结构5-3两侧平行边分别连接PIN二极管9的一个管脚，通过调节PIN二极管9的通断状态改变单元的工作模式。
所述介质板4两侧金属通孔6中间还设有金属过孔6-1，偏置线7通过金属过孔6-1与PIN二极管9的另一个管脚相连，用来为PIN二极管9提供正确的直流偏置。
所述金属过孔6-1两端与偏置线7、底层金属5-1、顶层金属5-2连接处贴附有电容8，用于微波电流短路接地，使微波与低频控制信号隔离。
所述微波结构5-3与偏置线7分别印刷于介质板4两面；底层金属5-1和顶层金属5-2也分别印刷在介质板4两面。
所述微波结构5-3为矩形5-5与梯形5-4拼接成的平面图形，矩形5-5的顶边与梯形5-4的底边相连接；矩形5-5的底边与顶层金属5-2之间以及梯形5-4的顶边与顶层金属5-2之间分别构成两个缝隙谐振器。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
1、本发明提出了折叠金属板结构，仅需要单层介质板4通过金属通孔6即可连接顶层金属5-2及底层金属5-1，构成折叠的金属板10，结合单层的介质板4两侧印刷的微波结构区1和偏置线的布线区3，制得结构简单，独立可控的可重构智能表面。
2、本发明通过设计折叠金属板结构，在单层介质板上实现单元结构区和布线区隔离，提供两个相互之间隔离的电磁空间，解决了在设计单元独立可控的可重构智能表面时，因兼顾偏置线布局而采用多层介质板设计带来的制造成本高的问题。
3、本发明所设计的单元结构能够进行一维扩展、二维扩展，也可进行异形扩展，扩展为不同规模的超表面结构其中，一维扩展是做单元结构按照直线进行周期排布；二维扩展是指按照矩形网格进行平面上面的周期排布；异形是指可以按照三角形或者圆形的形状进行周期排布；所提出的设计方法对这些超表面结构均适用。
4、采用本单元进行设计得到的二维超表面能够实现所有PIN二极管9的独立调节，超表面可实现二维波束调节。
综上，本发明具有结构简单、体积小、成本低，具有更广泛的应用空间的优点。
附图说明
图1是本发明实施例的结构的三维示意图。
图2是本发明实施例的结构的顶层示意图。
图3是本发明实施例的结构的底层示意图。
图4是本发明的层叠结构示意图。
图5是本发明实施例的实物样机图。
图6是本发明实施例的实物样机测试波束扫描方向图。
图7是本发明实施例的实物样机测试增益以及副瓣电平示意图。
图中，1、微波结构区；2、金属板；3、偏置线的布线区；4、介质板；5-1、底层金属；5-2、顶层金属；5-3、微波结构；5-4、梯形；5-5、矩形；6、金属化通孔；6-1、偏置连接过孔；6-2、第一连接孔；6-3、第二连接孔；7、偏置线；8、电容；9、PIN二极管；10、折叠的金属板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。需要声明的是，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，拥有2bit可调相位，包括中间介质板4及介质板4两面分别设置的微波结构5-3和底层金属5-1，所述底层金属5-1两侧设有偏置线7，微波结构5-3两侧分别设有顶层金属5-2；所述介质板4为单层介质板，两侧对称均布有金属通孔6。参见图2。
所述介质板4为单层介质板，介质板4采用介电常数为2.65，厚度为3mm的F4B材料单元的尺寸为30mm×30mm×3mm；介质板4两侧对称均布有金属通孔6；顶层金属5-2近微波结构5-3的一侧设置有与介质板4的金属通孔相适配的第一连接孔6-2；底层金属5-1的两侧设置有与介质板4的金属通孔相适配的第二连接孔6-3。
所述金属通孔6、第一连接孔6-2和第二连接孔6-3将底层金属5-1与顶层金属5-2相连通，构成折叠的金属板10，如图1、图4。
所述的微波结构5-3两侧平行边分别连接PIN二极管9的一个管脚，通过调节PIN二极管的通断状态改变单元的工作模式。
所述介质板4两侧金属通孔中间还设有金属过孔6-1，偏置线7通过金属过孔6-1与PIN二极管9的另一个管脚相连，用来为PIN二极管提供正确的直流偏置。
所述金属过孔6-1两端与偏置线7、底层金属5-1、顶层金属5-2连接处贴附有电容8，用于微波电流短路接地，使微波与低频控制信号隔离，控制信号得以连通。
所述微波结构5-3与偏置线7分别印刷于介质板4两面；底层金属5-1和顶层金属5-2也分别印刷在介质板4两面。
如图2，所述微波结构5-3为矩形5-5与梯形5-4拼接成的平面图形，矩形5-5的顶边与梯形5-4的底边相连接。矩形5-5的底边与顶层金属5-2之间以及梯形5-4的顶边与顶层金属5-2之间分别构成两个缝隙谐振器。如图3，偏置线的布线区3的宽度应依据所需设计可重构智能表面阵列的规模、单元bit数与加工工艺所能够加工的最小线宽及线距决定。
本实施例预设可重构智能表面为16×16规模，2bit反射相位，控制引线从阵列两侧逐一延伸至可重构智能表面位置。因此，最密集的偏置线的布线区3需要同时布置16根偏置线7。本实施例预设的最小线宽与走线之间的缝隙均为0.2mm，故偏置线的布线区3的总宽度至少为16*0.4mm＝6.4mm，在本实施例中偏置线的布线区3的总宽度为7mm，并分别位于介质板4两侧，即偏置线的布线区3的宽度为3.5mm，因此底层金属5-1的宽度为23mm。
本实施例中，顶层金属5-2的宽度为4.5mm，缝隙谐振器的宽度为2.5mm，微波结构5-3的上底边宽16.6mm，下底边宽21.4mm。为了贴附用于微波接地的电容8，金属过孔6-1的孔径为0.3mm，其余金属化通孔6设计其孔间距为1mm，孔径为0.6mm。
图5给出了采用本发明实施的实例样机图片，图中11为智能表面单元样机图片，图中12为16*16单元的平面超表面阵列图片。
图6给出了发明实施例测试的波束扫描示意图，从图中能够看到，所设计的超表面能够实现-60度到60度之间的波束扫描效果。
图7给出了发明实施例测试的增益曲线与副瓣电平曲线，从图中能够看到，超表面阵列的增益高达23dBi，副瓣电平低于12dB。
Claims (8)
1.一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，其特征在于：包括中间介质板(4)及介质板(4)两面分别设置的微波结构(5-3)和底层金属(5-1)，所述底层金属(5-1)两侧设有偏置线(7)，微波结构(5-3)两侧分别设有顶层金属(5-2)；所述介质板(4)为单层介质板，两侧对称均布有金属通孔(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，其特征在于：所述顶层金属(5-2)近微波结构(5-3)的一侧设置有与介质板(4)的金属通孔(6)相适配的第一连接孔(6-2)；底层金属(5-1)的两侧设置有与介质板(4)的金属通孔(6)相适配的第二连接孔(6-3)。
3.根据权利要求2所述的一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，其特征在于：所述金属通孔(6)、第一连接孔(6-2)和第二连接孔(6-3)将底层金属(5-1)与顶层金属(5-2)相连通，构成折叠的金属板(10)。
4.根据权利要求1所述的一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，其特征在于：所述的微波结构(5-3)两侧平行边分别连接PIN二极管(9)的一个管脚，通过调节PIN二极管(9)的通断状态改变单元的工作模式。
5.根据权利要求2所述的一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，其特征在于：所述介质板(4)两侧金属通孔(6)中间还设有金属过孔(6-1)，偏置线(7)通过金属过孔(6-1)与PIN二极管(9)的另一个管脚相连，用来为PIN二极管(9)提供正确的直流偏置。
6.根据权利要求5所述的一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，其特征在于：所述金属过孔(6-1)两端与偏置线(7)、底层金属(5-1)、顶层金属(5-2)连接处贴附有电容(8)，用于微波电流短路接地，使微波与低频控制信号隔离。
7.根据权利要求1所述的一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，其特征在于：所述微波结构(5-3)与偏置线(7)分别印刷于介质板(4)两面，底层金属(5-1)和顶层金属(5-2)也分别印刷在介质板(4)两面。
8.根据权利要求1所述的一种基于单层介质板的独立可控的可重构智能表面，其特征在于：所述微波结构(5-3)为矩形(5-5)与梯形(5-4)拼接成的平面图形，矩形(5-5)的顶边与梯形(5-4)的底边相连接；矩形(5-5)的底边与顶层金属(5-2)之间以及梯形(5-4)的顶边与顶层金属(5-2)之间分别构成两个缝隙谐振器。
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