一种准N比特双极化相位独立可调的可重构超表面的制作方法

一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面
技术领域
1.本发明涉及超表面的技术领域，特别涉及一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面。


背景技术：

2.随着无线通信技术的发展，移动设备数目进一步增加，高度密集的网络设备不仅使得组网复杂度大幅提高，也给运营商带来极大的硬件成本和能耗负担。为解决未来无线网络问题，研究一种创新、高效、能耗低、节约频谱资源和安全的通信方式势在必行。在现有的备选技术中，可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)技术，由于其具有低能耗、易部署、可灵活调控电磁波等特点脱颖而出，成为重点关注技术。
3.ris是由超材料技术发展而来，是一种可实时编程调控电磁特性的人工表面结构。ris由特殊设计的大量亚波长幅相可重构单元组成，通过调节加载在单元上的可调元件，如二极管、mems、变容二极管等有源器件，可以灵活的操控每个单元的反射性能，达到调控空间电磁波的目的。
4.ris实现波束控制的原理与相控阵类似，通过对每个反射单元进行相位补偿实现波束扫描，而精确的相位补偿比较复杂，因此ris采用相位量化的方式控制波束指向。常见的相位量化位数有1bit、2bit和3bit，相位量化位数越高，ris对电磁波控制的精细程度越高，波束调控能力更强。1bit相位量化虽然实现方式简单，但在平面波垂直入射下会产生对称反射波束，造成3db的损耗；2bit和3bit的相位量化不存在这一问题，但相位量化位数的增加也使得ris单元设计复杂度增加，特别是直流偏置电路的复杂化，制约了ris的设计和应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，可以实现斜入射范围内准n比特调相，具有双极化单波束扫描的功能。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，包括：
6.多个双极化相位独立可调的可重构超表面单元；
7.每个超表面单元包括微带贴片辐射层、与微带贴片辐射层相贴设置的耦合缝隙地板层、与耦合缝隙地板层相贴设置的微带线调相层及金属反射板；
8.微带贴片辐射层包括第一介质板及与第一介质板相贴设置的第二介质板，第一介质板与第二介质板上均设置有金属贴片；
9.耦合缝隙地板层上开设有一工作于tm极化的第一异形缝隙与一个工作于te极化的第二异形缝隙；
10.微带线调相层包括相互独立的te极化调相微带线与tm极化调相微带线。
11.优选的，te极化调相微带线与tm极化调相微带线的一端均为开路或短路，另一端
均通过金属过孔与耦合缝隙地板层相连，te极化调相微带线与tm极化调相微带线上均集成了多个二极管，所述二极管用于提供1bit相位控制。
12.优选的，金属贴片为方形结构，且第一介质板上的金属贴片边长大于第二介质板上的金属贴片边长。
13.优选的，te极化调相微带线与tm极化调相微带线上集成了多个pin二极管，所述pin二极管切换导通与截止状态时可使得可重构超表面单元具有180
°
左右反射相位差。
14.优选的，可重构单元利用2
n-1
个常规1bit相位量化单元实现准n比特相位量化；所述2
n-1
个常规1bit相位量化可重构单元之间依次存在约相位差。
15.优选的，通过调节微带线调相层中微带线尺寸和耦合缝隙地板层中对应缝隙的尺寸，使得所述2
n-1
个1bit相位量化可重构单元之间依次存在约相位差。
16.优选的，微带贴片辐射层、耦合缝隙地板层、调节微带线调相层及金属反射板均为正方形的单元，且单元边长一致。
17.优选的，可重构超表面规模可以为m
×
n阵列，其中m≥2，n≥2。
18.本发明与现有技术相比，其有益效果是：四个1bit双极化相位独立可调的可重构超表面单元，每个1bit双极化相位独立可调的可重构超表面单元分别集成了两个二极管，通过控制二极管的导通与截止可以在x轴方向和y轴方向上实现独立的1bit调相，所述四个1bit双极化相位独立可调的可重构超表面单元之间依次存在45
°
的相位差，共可实现8种不同的反射相位，与常规3bit调相一一对应。
附图说明
19.图1为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的三维结构爆炸示意图；
20.图2为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的俯视图；
21.图3为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的侧视图；
22.图4为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的单元一与单元二的俯视图；
23.图5为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的单元三与单元四的俯视图；
24.图6为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的四个单元8种编码在te极化下的反射幅度图；
25.图7为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的四个单元8种编码在te极化下的反射相位图；
26.图8为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的四个单元8种编码在tm极化下的反射幅度图；
27.图9为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的四个单元8种编码在tm极化下的反射相位图；
28.图10为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的编码矩阵；
29.图11为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的阵列反射波束为15
°
时的精确阵面相位分布图；
30.图12为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的垂直入射的波束扫描结果图；
31.图13为根据本发明的准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面的30
°
斜入射的波束扫描结果图。
具体实施方式
32.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做出创造性劳动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。
33.参照图1-13，一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，包括：
34.多个双极化相位独立可调的可重构超表面单元；
35.每个超表面单元包括微带贴片辐射层1、与微带贴片辐射层1相贴设置的耦合缝隙地板层2、与耦合缝隙地板层2相贴设置的微带线调相层3及金属反射板4，金金属反射板4防止入射波透过超表面单元，减小损耗；通过在1bit超表面上引入n-1比特预相位，以实现平面波入射超表面的单波束反射。采用缝隙耦合微带线的单元设计方法，可以引入大范围的相位延迟，通过修改微带线的长度可以灵活的改变单元的初始反射相位，实现的相位步进，满足准n比特的设计需求。
36.微带贴片辐射层1包括第一介质板及与第一介质板相贴设置的第二介质板，第一介质板与第二介质板上均设置有金属贴片，第一介质板与第二介质板的相对介电常数为1～20；
37.耦合缝隙地板层2上开设有一工作于tm极化的第一异形缝隙与一个工作于te极化的第二异形缝隙；
38.微带线调相层3包括相互独立的te极化调相微带线与tm极化调相微带线。
39.进一步的，te极化调相微带线与tm极化调相微带线的一端均为开路或短路，另一端均通过金属过孔与耦合缝隙地板层2相连，te极化调相微带线与tm极化调相微带线上均集成了多个二极管，所述二极管用于提供1bit相位控制，二极管的正极位于微带线开路端一侧，负极通过金属过孔与耦合缝隙地板层2相连。
40.进一步的，金属贴片为方形结构，且第一介质板上的金属贴片边长大于第二介质板上的金属贴片边长。
41.进一步的，te极化调相微带线与tm极化调相微带线上集成了多个pin二极管，所述pin二极管切换导通与截止状态时可使得可重构超表面单元具有180
°
左右反射相位差。
42.进一步的，可重构单元利用2
n-1
个常规1bit相位量化单元实现准n比特相位量化；所述2
n-1
个常规1bit相位量化可重构单元之间依次存在约相位差。
43.进一步的，通过调节微带线调相层3中微带线尺寸和耦合缝隙地板层2中对应缝隙
的尺寸，使得所述2
n-1
个1bit相位量化可重构单元之间依次存在约相位差。
44.进一步的，微带贴片辐射层1、耦合缝隙地板层2、调节微带线调相层3及金属反射板4均为正方形的单元，且单元边长一致。
45.进一步的，可重构超表面规模可以为m
×
n阵列，其中m≥2，n≥2。
46.为便于说明，本实施例中以“0”表示二极管断开状态，以“1”表示二极管导通状态；以序号1、2、3、4表示四个不同的1bit可重构单元，则1-0、2-0、3-0和4-0表示四个单元的二极管处于断开状态，对应的等效反射相位为0
°
、45
°
、90
°
和135
°
；1-1、2-1、3-1和4-1表示四个单元的二极管处于导通状态，对应的等效反射相位为180
°
、225
°
、270
°
和315
°
；
47.本实施例中，具有四个不同初始相位的1bit可重构超表面单元，分别用序号1、2、3、4表示；图6为这四个可重构超表面单元8种编码在te极化下的反射幅度图；图7为这四个可重构超表面单元8种编码在te极化下的反射相位图；图8为这四个可重构超表面单元8种编码在tm极化下的反射幅度图；图9为这四个可重构超表面单元8种编码在tm极化下的反射相位图；可以看到，在所给出的附图中，这四个单元对入射电磁波的反射幅度均在-1.1db以内，且反射相位具有很好的平行度与线性度，保证了超表面单元的带宽与调相稳定性。
48.本实施例中，首先需要确认这四个单元在超表面的排布方式，使得可重构超表面可以保证在[-70
°
,70
°
]扫描范围都具有单波束扫描的性能，图10给出了可能的一种单元排布方式，应当指出，在其他一些实施例中，所述四个1bit可重构单元的排布方式也可以为其他矩阵。
[0049]
下面以反射波束15
°
为例，介绍本实施例中反射相位排布的具体计算方式：
[0050]
步骤一、给出如图10所示的单元编码矩阵，确定四个可重构单元的位置；
[0051]
步骤二、按照相位补偿公式(式中为反射波的角度，(x
mn
,y
mn
)为单元的位置)，计算出主波束为15
°
时各单元所需要的连续相位，如图11所示；
[0052]
步骤三、按照下式给出的相位量化策略，一一对应编码矩阵与精确相位矩阵计算得出编码后的相位排布矩阵。
[0053][0054]
进一步地，采用所述三个步骤的计算方法，可以计算得到反射波束[-70
°
,70
°
]不同角度对应的相位排布矩阵，根据相位排布矩阵画出对应的方向图，如图12和图13所示。
[0055]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、
修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0056]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，其特征在于，包括：多个双极化相位独立可调的可重构超表面单元；每个超表面单元包括微带贴片辐射层(1)、与微带贴片辐射层(1)相贴设置的耦合缝隙地板层(2)、与耦合缝隙地板层(2)相贴设置的微带线调相层(3)及金属反射板(4)；微带贴片辐射层(1)包括第一介质板及与第一介质板相贴设置的第二介质板，第一介质板与第二介质板上均设置有金属贴片；耦合缝隙地板层(2)上开设有一工作于tm极化的第一异形缝隙与一个工作于te极化的第二异形缝隙；微带线调相层(3)包括相互独立的te极化调相微带线与tm极化调相微带线。2.如权利要求1所述的一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，其特征在于，te极化调相微带线与tm极化调相微带线的一端均为开路或短路，另一端均通过金属过孔与耦合缝隙地板层(2)相连，te极化调相微带线与tm极化调相微带线上均集成了多个二极管，所述二极管用于提供1bit相位控制。3.如权利要求2所述的一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，其特征在于，金属贴片为方形结构，且第一介质板上的金属贴片边长大于第二介质板上的金属贴片边长。4.如权利要求2所述的一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，其特征在于，te极化调相微带线与tm极化调相微带线上集成了多个pin二极管，所述pin二极管切换导通与截止状态时可使得可重构超表面单元具有180
°
左右反射相位差。5.如权利要求1所述的一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，其特征在于，可重构单元利用2
n-1
个常规1bit相位量化单元实现准n比特相位量化；所述2
n-1
个常规1bit相位量化可重构单元之间依次存在约相位差。6.如权利要求5所述的一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，其特征在于，通过调节微带线调相层(3)中微带线尺寸和耦合缝隙地板层(2)中对应缝隙的尺寸，使得所述2
n-1
个1bit相位量化可重构单元之间依次存在约相位差。7.如权利要求1所述的一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，其特征在于，微带贴片辐射层(1)、耦合缝隙地板层(2)、调节微带线调相层(3)及金属反射板(4)均为正方形的单元，且单元边长一致。8.如权利要求1所述的一种准n比特双极化相位独立可调的可重构超表面，其特征在于，可重构超表面规模可以为m
×
n阵列，其中m≥2，n≥2。

技术总结
本发明公开了一种准N比特双极化相位独立可调的可重构超表面，包括：多个双极化相位独立可调的可重构超表面单元；每个超表面单元包括微带贴片辐射层、与微带贴片辐射层相贴设置的耦合缝隙地板层、与耦合缝隙地板层相贴设置的微带线调相层及金属反射板；微带贴片辐射层包括第一介质板及与第一介质板相贴设置的第二介质板，第一介质板与第二介质板上均设置有金属贴片；耦合缝隙地板层上开设有一工作于TM极化的第一异形缝隙与一个工作于TE极化的第二异形缝隙；微带线调相层包括相互独立的TE极化调相微带线与TM极化调相微带线。根据本发明，可以实现斜入射范围内准N比特调相，具有双极化单波束扫描的功能。极化单波束扫描的功能。极化单波束扫描的功能。


技术研发人员：杨雪霞 张传胜 楼天 扆梓轩 谭冠南
受保护的技术使用者：惠州硕贝德无线科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/31