一种对极化不敏感的感知调相一体化可重构智能超表面

1.本发明涉及可重构智能超表面技术领域，特别是涉及一种对入射电磁波的极化不敏感的1比特感知调相一体化可重构智能超表面。


背景技术：

2.可重构智能超表面，由于其在改善信道、提升通信质量方面的巨大潜力，无线通信网络的性能得到提高，因此在无线领域得到了广泛的关注。传统的可重构智能超表面无法根据周围的电磁环境自适应地调节自身的编码状态。为实现超表面的智能化调控，一个关键的步骤是感知和收集来自环境的数据。然而之前所设计的大多依靠传感器的感知超表面只能感知和调控不同类型或不同频段的电磁信号(例如：操控电磁波而感知光波，操控一个频段的电磁波而感知另一个频段的电磁波)，而无法对同类型或同频段的电磁信号进行感知和调控，因此其应用价值有限。其次，以往提出的感知超表面的感知能力有限，只能在多个可重构状态下感知其中一个或几个状态。因此，一种在各个调相状态下均可以对来波进行感知的超表面亟需被研究和设计。此外，在实际的无线电磁通信中，接收机和发射机需要具有对入射电磁波的极化方向及入射角的不敏感性，从而实现更好的通信质量。因此一种对入射角和极化方向不敏感的1比特感知调相一体化可重构智能超表面，亟需被研究和设计。


技术实现要素：

3.技术问题：本发明的目的在于提供一种对极化不敏感的感知调相一体化可重构智能超表面，用来解决背景技术中提及的技术问题，对入射到本发明上的电磁波的反射波进行实时、动态、快速的调控。
4.技术方案：本发明的目的在于提供一种对极化不敏感的感知调相一体化可重构智能超表面包括：n
×
n个基本单元周期排列所构成，其中，每个基本单元由控制电路提供不同的控制信号；对入射电磁波进行1比特反射相位的控制，同时进行1比特来波感知，实现感知、调相一体化。
5.其中，所述基本单元从上到下依次包括：
6.第一层是金属图案层包括pin管a、pin管b、金属贴片、非对称开槽、细金属条a 和细金属条b，其中，2个pin管型号一致且朝向相互垂直，2个细金属条大小一致、朝向相互垂直，所述的两个细金属条和金属贴片由pin管a和pin管b串接；
7.第二层为上层介质基板；
8.第三层为金属层；
9.第四层为粘接层；
10.第五层为下层介质基板；
11.第六层为馈线层，所述的馈线层包含感知微带线和直流馈线，其中直流馈线给pin 管输入偏置电压，感知微带线接收入射波的能量信号从而进行感知；所述的直流馈线上串
接有电感，并接有电容；所述的电容的一端与直流馈线相接，另一端由盲孔与金属层相接；
12.其中，所述第一层中的两个细金属条与所述第三层之间分别设置有金属孔，所述的金属孔均有直流偏置进而为所述pin管提供直流电压；所述的第一层中的金属贴片与第六层之间设置有金属中心通孔提供直流偏置并进行入射波的能量的感知。
13.所述pin管，在偏置电压为1v时处于导通状态，偏置电压为0v时处于未导通状态；所述pin管在导通和未导通两个状态下的内部等效电路不同，从而对入射到的电磁波形成不同的响应。
14.所述pin管，在给定的频点上，pin管在导通和未导通两个状态下的电磁波后向反射相位间隔为180
°
。
15.所述pin管，在导通和未导通两个状态下，智能感知入射电磁波的能量大小；其中，少量的入射电磁波能量从金属中心通孔传播至感知微带线，再由感知微带线最终传播至检波器芯片。
16.所述的检波器芯片将感知微带线上的射频信号转化成与其射频信号能量大小相对应的输出电压。
17.基本单元的尺寸p1＝25.8mm，金属贴片的尺寸p2＝25.8mm，金属贴片的凹陷长边 l1＝3.4mm，金属贴片的凹陷短边l2＝1.65mm，细金属条的线宽w＝0.7mm，非对称开槽的尺寸p3＝1.05，槽间距s＝0.4mm，细金属条的长度l3＝2.18mm。
18.上层介质基板的厚度h1＝3mm，粘结层厚度h2＝0.1mm，下层介质基板的厚度h3＝1mm，金属中心通孔的直径为0.6mm，金属孔和盲孔的直径为0.4mm。
19.有益效果：本发明的优点在于，
20.1、本发明的原理分为调相原理和感知原理。其中，调相原理为：改变pin管上的正向偏置电压，pin管内部的等效电路发生改变。基于此，本发明可以对入射到本发明上的电磁波的反射波进行实时、动态、快速的调控。感知原理为：通过引入在上述的金属贴片的中心处的非对称开槽，少量入射波的能量依次通过中心通孔、感知微带线最终传播至检波器芯片完成对入射波能量的感知。
21.2、本发明对可重构智能超表面中的所有超表面单元进行独立调控，极大的增加了超表面的调控自由度，增强了超表面对于入射电磁波的调控能力。由于
22.3、与现有技术相比，本发明可以实现1bit的调相感知一体化，其感知能力适用于 pin管的导通和未导通两个状态。并且，其调相能力和感知能力均具有极化不敏感性，和入射角不敏感性。
附图说明
23.图1为实施例1中提供的可重构感知超表面的结构示意图；
24.图2为实施例1中提供的可重构感知超表面的主视图；
25.图3为实施例1中提供的可重构感知超表面的背视图；
26.图4为实施例1中提供的可重构感知超表面的俯视图及其尺寸标记示意图；
27.图5为实施例1中提供的可重构感知超表面在1比特编码情况下的各个状态(2个) 的反射幅度随频率变化的曲线图；
28.图6为实施例1中提供的可重构感知超表面在1比特编码情况下的2个状态的反射
相位随频率变化的曲线图；
29.图7为实施例1中提供的可重构感知超表面在1比特编码情况下的2个状态的直流馈线上的射频信号的幅度随频率变化的曲线图；
30.图8为实施例1中提供的可重构感知超表面在1比特编码情况下的2个状态的感知微带线上的射频信号的幅度随频率变化的曲线图；
31.图9为在te极化入射波下，实施例1中提供的可重构感知超表面在1比特编码情况下的2个状态的反射幅度及相位间隔随入射角变化的曲线图；
32.图10为在tm极化入射波下，实施例1中提供的可重构感知超表面在1比特编码情况下的2个状态的反射幅度及相位间隔随入射角变化的曲线图；
33.图11为在te极化入射波下，实施例1中提供的可重构感知超表面在1比特编码情况下的2个状态的直流馈线上的射频信号的幅度随入射角变化，和感知微带线上的射频信号的幅度随入射角变化的曲线图；
34.图12为在tm极化入射波下，实施例1中提供的可重构感知超表面在1比特编码情况下的2个状态的直流馈线上的射频信号的幅度随入射角变化，和感知微带线上的射频信号的幅度随入射角变化的曲线图。
35.图中有：金属图案层1、pin管a1.1、pin管b1.2、金属贴片1.3、非对称开槽1.4、细金属条a1.5和细金属条b1.6；
36.上层介质基板2；金属层3；粘接层4；下层介质基板5；
37.馈线层6，感知微带线6.1、直流馈线6.2、电感6.3、电容6.4；
38.金属孔7、中心通孔8、盲孔9、检波器芯片10；感知微带线11。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实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技术所附权利要求所限定的范围。
40.实施例1
41.参见图1-图4，本实施例提供一种对入射角和极化方向不敏感的1比特感知调相一体化可重构智能超表面，具体包括：n
×
n个基本单元周期排列，其中，每个基本单元由不同的信号控制，并且每个单元由控制电路提供控制信号。
42.具体的说，在本实施例中，该基本单元从上到下依次包括：
43.第一层为贴片结构层1，其中包含pin管a1.1、pin管b1.2、金属贴片1.3、非对称开槽1.4、细金属条a1.5和细金属条b1.6；其中两个pin管将两个细金属条和一个金属贴片串接在一起。非对称开槽处于金属贴片的中心处。
44.第二层为上层介质基板2；
45.第三层为金属层3；
46.第四层为粘接层4；
47.第五层为下层介质基板5；
48.第六层为走线层6，所述的馈线层包含了感知微带线6.1和直流馈线6.2，其中直流馈线起到给pin管输入偏置电压的作用，感知微带线11起到接收入射波的能量从而进行感
知的作用；所述的直流馈线上串接有电感6.3，并接有电容6.4；所述的电容的一端与直流馈线相接，另一端由盲孔9与金属层相接；
49.具体的说，在本实施例中，所采用的pin管a和pin管b的型号均为smp1320-040lf，该型号的pin管在正向偏置电压为0v和1v时分别具有未导通和导通两种状态。
50.具体的说，在本实施例中，在偏置电压为0v和1v时，在给定的频点上，电磁波后向反射相位间隔为180
°
。
51.具体的说，在本实施例中，在偏置电压为0v和1v时，在给定的频点上，电磁波后向反射幅度均大于-2db。
52.具体的说，在本实施例中，直流馈线上的射频信号的能量幅度小于-40db，感知微带线上的射频信号大于-11db。
53.具体的说，采用标准印刷电路板(pcb)技术可以很容易地制备本实施例中提供的金属-介质-金属-介质-金属五层夹芯结构，更具体的说：
54.厚度为3mm的f4b介质板(εr＝3,tanδ＝0.0017)作为上层介质基板5，其中设置两个直径为0.4mm的金属孔7和一个直径为0.6mm的金属中心通孔8；厚度为1mm的f4b介质板(εr＝2.2,tanδ＝0.001)作为下层介质基板，其中设置1个直径为0.4mm的金属孔7和金属中心通孔8；
55.金属图案层的表面铜层厚度为0.035mm，主要由一个金属贴片、非对称开槽和两个细金属条构成；其中，两个细金属条的朝向相互垂直，用以实现极化不敏感。
56.金属层为涂覆0.035mm厚的完整铜层，以实现反射型可重构超表面；
57.0.1mm厚的粘接层将金属层和下层介质基板粘接在一起，构成一个整体；
58.走线层中的直流馈线和感知微带线均为0.035mm厚、线宽为0.5mm的铜线。其中感知微带线的直角弯处有一个切角为0.5mm的倒角；
59.直流馈线串接的电感为20nh，并接的电容为5pf，用以实现良好的隔绝射频信号。
60.其中，pin管a、pin管b将金属贴片和细金属条a、细金属条b串接在一起，其被用作状态可调的相位调谐器件，当正向偏置电压大于阈值时，pin管导通；当正向偏置电压小于阈值时，pin管未导通。上述的pin管的两种状态具有不同的等效电路，可以调谐反射电磁波的谐振频率或在特定频率控制电磁波的相移；金属贴片由四边中心处有凹陷的矩形金属贴片构成；金属贴片中心处的非对称开槽由u型槽旋转复制演变而成，可以将部分入射电磁波的能量传递至中心通孔，进一步传递至感知微带线，最终进入检波器芯片10；金属中心通孔为直径0.6mm的金属孔，连接第一层和第六层，可以为pin 管提供偏置电压，同时也可以传递射频信号用以感知入射波；所使用的ltc5530检波器芯片可以将感知微带线上的射频信号转化成与其射频信号能量大小相对于的输出电压。最终外接电路可以通过检测检波器芯片的输出电压对入射电磁波进行感知。
61.具体的说，如图1-图4所示，在本实施例中感知单元的金属图案层、上层介质板，下层介质板、馈线层和各个金属孔的具体尺寸为：
62.基本单元的尺寸p1＝25.8mm，金属贴片的尺寸p2＝25.8mm，金属贴片的凹陷长边 l1＝3.4mm，金属贴片的凹陷短边l2＝1.65mm，细金属条的线宽w＝0.7mm，非对称开槽的尺寸p3＝1.05，槽间距s＝0.4mm，细金属条的长度l3＝2.18mm，上层介质基板的厚度h1＝3mm，粘结层厚度h2＝0.1mm，下层介质基板的厚度h3＝1mm，中心通孔的直径为0.6mm，金属孔和
盲孔的直径为0.4mm。
63.具体的说，为了使本实施例提供的1比特感知调相一体化可重构智能超表面获得极化不敏感性，本实施例中的第一层的金属部分沿x轴和y轴均具有对称性。
64.具体的说，为了使本实施例提供的1比特感知调相一体化可重构智能超表面采用了 ltc5530芯片作为上述的检波器芯片。
65.本实施例提供一种对入射角和极化方向不敏感的1比特感知调相一体化可重构智能超表面在电磁波正入射下，通过改变pin管1上的偏置电压可以改变入射到本实施例上的电磁波的反射波的相位，具体的说，对于一个1比特感知调相一体化智能超表面，就应该可以获得相位间隔为180
°
的2个相位状态，并且可以在这两种相位状态下均能感知入射波。
66.两个状态的反射幅值和相位分布如图5和图6所示。在5.16ghz下，两种状态下的反射幅度均大于-2db，且相位间隔为180
°
。在5.12-5.2ghz频带内，最低的反射幅度为-2.13db，最低相位间隔为169
°
，最大相位间隔为192
°
，相位浮动小于12
°
。因此，本发明可以在5.12-5.2ghz频带内实现高效的反射相位控制。
67.两个状态的直流馈线上的射频能量和感知微带线桑的射频能量如图7和图8所示。在中心频点5.16ghz下，在pin管未导通和导通时，直流馈线上的插入损耗分别为-43db 和-39db，表明直流馈线具有很高的隔绝射频信号的能力。中心频点5.16ghz下，在pin 管未导通和导通时，感知微带线上的插入损耗分别为-11db和-9db，表明感知微带线具有收集少量射频能量的能力；所选的ltc5530检波器芯片的最低输入功率为-32dbm，因此入射到本发明的电磁波的功率只要大于-21dbm，就可以被检波器芯片检测并感知。
68.在te极化入射波下，两个状态的反射幅度、反射相位间隔随入射角变化的曲线图如图9所示。在te极化入射波下，两个状态的感知微带线的插入损耗、直流馈线的插入损耗随入射角变化的曲线图如图10所示。在tm极化入射波下，两个状态的反射幅度、反射相位间隔随入射角变化的曲线图如图11所示。在tm极化入射波下，两个状态的感知微带线的插入损耗、直流馈线的插入损耗随入射角变化的曲线图如图12所示。由图9 图10可以看出当入射角小于45
°
，本发明的两个相位状态在te极化波和tm极化波入射下的反射幅度大于-3.5db，且两个状态的反射相位间隔在175-203
°
范围内。由图11 图12可以看出当入射角小于45
°
，在te极化波和tm极化波入射下的直流馈线的插入损耗小于-39db，感知微带线的插入损耗最低为-14db。表明本发明可以在正入射和斜入射情况下均具有感知、调相性能，可以实现感知调相一体化。
69.进一步需要说明的是，本实施例提供的单元工作在5.12-5.2ghz，应用在sub-6g 波段。若将单元尺寸进行调整，可以灵活调整其工作频段并满足良好的感知调相一体化的性能。
70.本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
71.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。