CN114824817A - 一种宽角双极化1-Bit可编程超表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽角双极化1‑Bit可编程超表面，由若干个可电控的超表面单元周期性拓展而成，超表面单元包括自上而下顺次设置的顶层贴片、第一介质层、馈线、第二介质层、金属地板、第三介质层以及底层负载电路，馈线包括正交放置的第一、二微带线，第一、二微带线通过金属过孔与金属地板连接，底层负载电路包括串联的P I N管和第三微带线，第三微带线的通过金属过孔与金属地板连接；能够使得超表面允许的入射角范围更广，改变编码序列可实现不同的波束指向，以实现波束扫描功能；在增加设计自由度时简化馈电网络的设计，降低了设计成本；利用接收模式的天线及负载短路完成超表面单元的基本构型，通过P I N管切换天线的负载状态来改变单元的反射特性。

Description

一种宽角双极化1-Bit可编程超表面

技术领域

本发明涉及领域，特别涉及一种宽角双极化1-Bit可编程超表面。

背景技术

可编程超表面在超材料的物理空间上构建了数字空间，具备通过编码超表面单元的数字状态来实时、动态地控制电磁波的强大能力；因此，自该概念提出以来，受到研究学者们的广泛关注，传统的相控阵天线一般可通过改变阵元的激励幅度和相位来实现阵列的波束赋形，但这需依赖于复杂的馈电网络，复杂构型的馈电网络不仅成本高，而且还会导致能量传输效率过低等问题。

与传统的相控阵相比，基于可编程超表面的新型天线系统可以将复杂的移相模块小型化，降低制造成本，并且具有控制灵活的优势，相比于高Bit数的超表面，1-Bit超表面更容易设计，但1-Bit超表面在垂直入射时会难以避免的产生两个对称波束，如需实现单波束辐射，需要引入大角度的斜入射，然而，传统的可编程超表面单元在广角入射条件下难以保持稳定的编码特性，这限制了1-Bit可编程超表面在单光束扫描中的应用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种宽角双极化1-Bit可编程超表面。

本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，由若干个可电控的超表面单元周期性拓展而成，超表面单元包括自上而下顺次设置的顶层贴片、第一介质层、馈线、第二介质层、金属地板、第三介质层以及底层负载电路，馈线包括正交放置的第一微带线和第二微带线，第一微带线和第二微带线通过金属过孔与金属地板连接，底层负载电路包括串联的PIN管和第三微带线，第三微带线的通过金属过孔与金属地板连接。

进一步地，第一介质层、第二介质层和第三介质层均采用F4BM300材料，且第一介质层、第二介质层和第三介质层的厚度分别设置为0.5mm、4mm和0.5mm。

进一步地，第一微带线包括第一直线段、第二直线段、第三直线段以及第一引出段，第二微带线包括第四直线段以及第二引出段，第二直线段的两端通过折边分别与第一直线段的一端和第三直线段的一端连接，以使第二直线段高于第一直线段和第二直线段，第三直线段的另一端与第一引出段的一端连接，第四直线段穿设于第二直线段的下方且与第二引出段的一端连接，第一引出段的另一端和第二引出段的另一端通过金属过孔与金属地板连接。

进一步地，第二直线段的长度设置为3.6mm，第一直线段的首端至第三直线段的尾端之间的长度设置为14mm，第四直线段的长度设置为11mm，第一直线段、第二直线段、第三直线段和第四直线段的宽度设置为1mm，第一引出段和第二引出段的宽度设置为0.8mm。

进一步地，第三微带线包括第五直线段、第六直线段以及与第五直线段平行的第七直线段，第五直线段的一端与PIN管连接，第六直线段的两端分别与第五直线段的另一端以及第七直线段的一端连接且同时垂直于第五直线段和第七直线段。

进一步地，第五直线段、第六直线段和第七直线段的长度分别设置为14mm、6mm和7.8mm。

进一步地，顶层贴片包括正方形金属片以及蚀刻于正方形金属片上的4个等边三角形通槽，等边三角形通槽的底边正对正方形金属片的一边，等边三角形通槽的顶角指向正方形金属片的中心。

进一步地，正方形金属片的边长设置为22mm，等边三角形通槽的高设置为5.5mm。

进一步地，TE波及TM波的入射角设置为±70°。

本发明的有益效果：

1、本发明所提出的1-Bit宽角双极化可编程超表面，与传统超表面相比，在保持稳定的编码特性下，所允许的入射角范围更广，且适用于任意极化的平面波；

2、本发明所提出的超表面，打破了传统1-Bit超表面难以实现单波束赋形的限制，大角度入射时可实现单波束辐射，改变编码序列可实现不同的波束指向，进而实现波束扫描功能；

3、本发明所提出的超表面，与传统阵列天线相比，在增加设计自由度的前提之下，简化了馈电网络的设计，还降低了设计成本；

4、与传统超表面设计方案不同，本方案巧妙的借鉴了微带天线的设计方法，基于互易原理，利用接收模式的天线及负载短路完成超表面单元的基本构型，通过PIN管切换天线的负载状态来改变单元的反射特性。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为超表面单元的结构图；

图2为顶层贴片和馈线的结构图；

图3为底层负载电路的示意图；

图4为入射角为0°、20°、40°及70°时，TE极化平面波照射下该单元反射系数的相位特性；

图5为入射角为0°、20°、40°及70°时，TE极化平面波照射下该单元反射系数的幅度特性；

图6为入射角为0°、20°、40°及70°时，TM极化平面波照射下该单元反射系数的相位特性；

图7为入射角为0°、20°、40°及70°时，TM极化平面波照射下该单元反射系数的幅度特性；

图8为实施例1中10*10超表面阵列的结构图；

图9为实施例1中平面波由70°入射，电场极化方向与入射面的夹角为45°，编码序列为0011001100时，该超表面的波束调控特性；

图10为实施例2中TE极化平面波由70°入射，编码序列为0101010101时，该超表面的波束调控特性。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”、“安装”、“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图10，一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，由若干个可电控的超表面单元周期性拓展而成，超表面单元包括自上而下顺次设置的顶层贴片10、第一介质层20、馈线30、第二介质层40、金属地板50、第三介质层60以及底层负载电路70，馈线30包括正交放置的第一微带线31和第二微带线32，第一微带线31和第二微带线32通过金属过孔与金属地板50连接，底层负载电路70包括串联的PIN管71和第三微带线72，第三微带线72的通过金属过孔与金属地板50连接。

其中，第一微带线31包括第一直线段311、第二直线段312、第三直线段313以及第一引出段314，第二微带线32包括第四直线段321以及第二引出段322，第二直线段312的两端通过折边分别与第一直线段311的一端和第三直线段313的一端连接，以使第二直线段312高于第一直线段311和第二直线段312，第三直线段313的另一端与第一引出段314的一端连接，第四直线段321穿设于第二直线段312的下方且与第二引出段322的一端连接，第一引出段314的另一端和第二引出段322的另一端通过金属过孔与金属地板50连接。

第二直线段312的长度设置为3.6mm，第一直线段311的首端至第三直线段313的尾端之间的长度设置为14mm，第四直线段321的长度设置为11mm，第一直线段311、第二直线段312、第三直线段313和第四直线段321的宽度设置为1mm，第一引出段314和第二引出段322的宽度设置为0.8mm。

顶层贴片10包括正方形金属片11以及蚀刻于正方形金属片11上的4个等边三角形通槽12，等边三角形通槽12的底边正对正方形金属片11的一边，等边三角形通槽12的顶角指向正方形金属片11的中心。

正方形金属片11的边长设置为22mm，等边三角形通槽12的高设置为5.5mm。

TE波及TM波的入射角设置为±70°。

本发明涉及一种1-Bit宽角双极化可编程超表面，该超表面是由多个具有电控特性的亚波长单元周期拓展而形成的二维结构，编码序列通过开关电压的形式加载于每个超表面单元上，当平面波由大角度斜入射时，该超表面对任意极化均可实现单波束辐射，且可通过控制编码序列来改变波束指向，实现单波束扫描功能。

本发明的单元的基本结构由工作在接收模式下的亚波长双极化微带天线及PIN管加载的负载电路构成，通过控制PIN管的偏置电压可改变其“导通”和“截止”，进而改变该天线的散射特性，实现1-Bit所需的180°反射相位差，且该单元对于TE、TM两种正交极化的平面波在宽角范围内均具备稳定的1-Bit编码性能。

由上述单元所构成的超表面在大角度斜入射时可实现单波束辐射，其波束指向与编码序列有关，利用数字可编程硬件(如现场可编程门阵列FPGA)控制偏置线电压，可实时、动态的改变编码序列，因此可实时的控制波束指向，实现单波束扫描功能。

这里将在S波段具体实例化本发明所提到的1-Bit宽角双极化可编程超表面；参照图1，图1给出了该超表面单元的立体结构图，该单元主要包括6层结构，顶层贴片10及馈线20等相关单元尺寸如图2所示。

本发明实施例中所有介质层均采用F4BM300材料，其相对介电常数ε_r＝3.0，损耗正切tanδ≤7×10^-4，并且第一介质层20、第二介质层40和第三介质层60的厚度分别设置为0.5mm、4mm和0.5mm。

该模型的两个馈电端口通过金属过孔与PIN管加载的负载电路连接，该负载电路由一定尺寸的第三微带线72及PIN管71串联而成，PIN管71选用来自MACOM的MA4AGP907型号，第三微带线72终端通过金属过孔与金属地板连接，第三微带线72包括第五直线段721、第六直线段722以及与第五直线段721平行的第七直线段723，第五直线段721的一端与PIN管71连接，第六直线段722的两端分别与第五直线段721的另一端以及第七直线段723的一端连接且同时垂直于第五直线段721和第七直线段723；第五直线段721、第六直线段722和第七直线段723的长度分别设置为14mm、6mm和7.8mm；通过改变PIN管的“导通”“截止”状态，可切换该模型的散射特性，从而实现1-Bit所需相位差，记编码“0”表示PIN管“导通”状态，编码“1”表示PIN管“截止”状态。

参照图4-5，分别给出了入射角为0°、20°、40°及70°时，TE极化平面波照射下该单元反射系数的相位和幅度特性，状态“1”和状态“0”的反射相位分别由实线和虚线表示，由图4可知，对于0°-70°的入射角范围，该单元在3GHz左右均可实现1-Bit编码所需的180°相位间隔；幅度特性如图5所示，在工作频段，编码“1”对应的反射系数的幅值接近1，这意味着能量几乎全部反射，具备非常好的幅度特性；对于编码“0”，PIN管工作在“导通”模式，由于电路造成的损耗和互耦合的影响，虽然反射幅度略有减小，但在0°-70°的入射角范围内均大于0.7；对于大型阵列而言，其波束特性更多地取决于相位而不是幅度，因此，该单元形成的超表仍具备良好的波束能力，这将在接下来的数值仿真中得到验证。

参照图6-7，分别给出了入射角为0°、20°、40°及70°时，TM极化平面波照射下该单元反射系数的相位和幅度特性，从图中数据可以看出，在3GHz该单元同样在0°-70°的入射角范围内呈现出稳定的180°相差特性，且反射系数的幅度均大于0.8。因此，所提出单元在3GHz附近对TE和TM两种正交极化的平面波在0°-70°的入射角范围均表现出稳定的反射幅度和相位特性，具备良好的宽角稳定性及双极化特性。

为验证该超表面可对任意极化的平面波均能实现单波束扫描功能，下面采用2个具体实例来说明。

第一个实例为一个10*10的超表面阵列，该阵列采用琴键编码方式，在x方向的编码序列为0011001100，如图8所示，图9给出了由TE极化及TM极化所组成的混合极化TEM平面波由70°斜入射时，该超表面对波束的调控特性。该TEM平面波的电场极化方向与入射面的夹角为45°，因此该平面波同时具备x极化及y极化分量；电场方向图如图9所示，从图中可观察到该方向图在上半空间仅存在一个指向为-18°的单波束，这与理论预测结果15°接近；因此，所提出的可编程超表面对任何极化形式具备单波束调制能力。

为验证该超表面的单波束扫描功能，第二个实例在x方向的编码序列为0101010101，如图10所示。该实例的入射波为TE极化平面波，入射角为70°，从图中可以看出，在上半空间该编码序列可实现一指向为26°的单波束辐射，这与理论预估25°。因此，所提出1-Bit超表面在大角度斜入射下对任意极化平面波，可通过控制编码序列实现单波束扫描功能。

需要说明，以上所述仅是本发明的优选实施方式，类似的结构只要可在开关二极管“开”“管”情况下产生180°相位差，均应视为本发明的保护范围；应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，由若干个可电控的超表面单元周期性拓展而成，其特征在于：所述超表面单元包括自上而下顺次设置的顶层贴片(10)、第一介质层(20)、馈线(30)、第二介质层(40)、金属地板(50)、第三介质层(60)以及底层负载电路(70)，所述馈线(30)包括正交放置的第一微带线(31)和第二微带线(32)，所述第一微带线(31)和第二微带线(32)通过金属过孔与所述金属地板(50)连接，所述底层负载电路(70)包括串联的PIN管(71)和第三微带线(72)，所述第三微带线(72)的通过金属过孔与所述金属地板(50)连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，其特征在于：所述第一介质层(20)、第二介质层(40)和第三介质层(60)均采用F4BM300材料，且第一介质层(20)、第二介质层(40)和第三介质层(60)的厚度分别设置为0.5mm、4mm和0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，其特征在于：所述第一微带线(31)包括第一直线段(311)、第二直线段(312)、第三直线段(313)以及第一引出段(314)，所述第二微带线(32)包括第四直线段(321)以及第二引出段(322)，所述第二直线段(312)的两端通过折边分别与所述第一直线段(311)的一端和第三直线段(313)的一端连接，以使所述第二直线段(312)高于所述第一直线段(311)和第二直线段(312)，第三直线段(313)的另一端与所述第一引出段(314)的一端连接，所述第四直线段(321)穿设于所述第二直线段(312)的下方且与所述第二引出段(322)的一端连接，所述第一引出段(314)的另一端和第二引出段(322)的另一端通过金属过孔与所述金属地板(50)连接。

4.根据权利要求3所述的一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，其特征在于：所述第二直线段(312)的长度设置为3.6mm，所述第一直线段(311)的首端至第三直线段(313)的尾端之间的长度设置为14mm，所述第四直线段(321)的长度设置为11mm，所述第一直线段(311)、第二直线段(312)、第三直线段(313)和第四直线段(321)的宽度设置为1mm，所述第一引出段(314)和第二引出段(322)的宽度设置为0.8mm。

5.根据权利要求1所述的一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，其特征在于：所述第三微带线(72)包括第五直线段(721)、第六直线段(722)以及与所述第五直线段(721)平行的第七直线段(723)，所述第五直线段(721)的一端与所述PIN管(71)连接，所述第六直线段(722)的两端分别与所述第五直线段(721)的另一端以及所述第七直线段(723)的一端连接且同时垂直于所述第五直线段(721)和第七直线段(723)。

6.根据权利要求5所述的一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，其特征在于：所述第五直线段(721)、第六直线段(722)和第七直线段(723)的长度分别设置为14mm、6mm和7.8mm。

7.根据权利要求1所述的一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，其特征在于：所述顶层贴片(10)包括正方形金属片(11)以及蚀刻于所述正方形金属片(11)上的4个等边三角形通槽(12)，所述等边三角形通槽(12)的底边正对所述正方形金属片(11)的一边，等边三角形通槽(12)的顶角指向所述正方形金属片(11)的中心。

8.根据权利要求7所述的一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，其特征在于：所述正方形金属片(11)的边长设置为22mm，所述等边三角形通槽(12)的高设置为5.5mm。

9.根据权利要求1所述的一种宽角双极化1-Bit可编程超表面，其特征在于：TE波及TM波的入射角设置为±70°。

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