一种高功率相位可重构智能反射表面

本发明涉及无线通信，特别涉及超表面的大功率场景下的应用技术。

背景技术：

1、传统的反射阵列天线或者相位调制超表面其各个阵元的相位响应是不可调整的，整个阵列的相位排布是固定的，因此只能实现特定的功能。为了动态调整阵列阵元的相位响应，传统的方法是在阵元上加载有源器件，针对有源器件不同状态下的有关参数设计多种电磁谐振结构，基于动态控制切换阵元上不同的等效电磁谐振结构来实现不同的相位响应。

2、受限于设计原理的原因，在分析和设计等效电磁结构时，只有当阵元上的等效谐振结构的电场平行于有源器件时，等效谐振电流会通过有源器件，有源器件才被认为参与了电磁谐振，发挥其预先设计的作用。在大功率电磁波入射的情况下，平行于器件的电场会在器件两端产生电势差，感应出大的瞬时电压从而可能器件被击穿；强的谐振电流通过有源器件与有源器件的等效电阻作用会产生大的热损耗从而可能导致器件被烧毁。因此传统的基于有源器件设计等效谐振电路实现可重构的方式往往面临着为了保护器件从而降低输入功率的问题。难以在大功率的条件下应用。

3、综上，当前基于传统方式设计的可重构超表面难以在大功率的条件下应用。

技术实现思路

1、为了解决当前的可重构超表面技术中，难以在大功率的条件下应用的问题，本发明提供了一种高功率相位可重构智能反射表面，该反射表面是基于非谐振结构的、大功率容量的可重构超表面阵元设计，基于实际应用的考量，本发明应当对各种电磁波均具有相位控制作用，对多种入射波具有完全独立的相位控制。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种高功率相位可重构智能反射表面，由结构相同的阵元排列组成；

4、所述阵元包括接收/发射单元、耦合结构、调相电路，接收/发射单元、耦合结构、调相电路依次排布形成层叠结构；

5、所述的接收/发射单元用于将自由空间的电磁波转换为分布的电场，同时用于将调相后并经由耦合结构转换后的电场转换为自由空间的电磁波并辐射；所述的耦合结构用于将接收/发射单元上的电场转换为导行波传输到调相电路，并用于将来自调相电路的调相后的导行波转换为接收/发射单元上的场；所述的调相电路由若干微带线和有源器件组成，用于将输入的导行波附加额外的相位后输出，附加的额外相位的大小受外加直流电压的控制；

6、所述阵元在外加电压的情况下对入射波进行相位控制，其中，所述耦合结构用于将接收/发射单元上的电场转化为导行波后，由调相电路实现调相功能。

7、作为本发明的进一步改进，所述耦合结构的形式为过孔、探针或缝隙。

8、作为本发明的进一步改进，所述接收/发射单元包括顶层的贴片和介质、地板，贴片和介质、地板依次布置形成微带天线。

9、作为本发明的进一步改进，所述阵元按照预先设计的形状排布，所述形状为均匀分布的矩形阵、圆形阵、六边形阵、八边形阵，以及随机分布的阵列。

10、作为本发明的进一步改进，所述有源器件作为纯电抗，有源器件的导行波沿微带线传播，与有源器件相互作用实现调相。

11、作为本发明的进一步改进，所述调相电路每个部分由两个变容二极管和微带线构成，两个变容二极管通过四分波长的微带线并联；用于通过调整直流偏置线加载到变容二极管上的反向偏压，调整变容二极管的等效电容进而调整调相电路附加的额外相位。

12、作为本发明的进一步改进，所述调相电路的有源器件由金属线电连接，用于施加直流偏置电压，调相电路用于在施加直流电压控制的情况下，改变终端阻抗为导行波的反射波附加不同的额外相位。

13、作为本发明的进一步改进，所述调相电路的有源器件平行于导行波前进方向，而导行波的电场束缚于微带线与介质板间的介质中，部分电场通过有源器件，通过感应在有源器件两端形成电势差。

14、相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：

15、与传统的谐振型可重构超表面阵元相比，本发明的阵元由接收/发射单元、耦合结构、调相电路构成。本发明通过设计特定的接收/发射单元，将自由空间电磁波转换为导行波并由外加直流电压控制的调相电路实现相位控制，然后通过接收/发射单元辐射到自由空间中。基于对接收/发射单元的特殊设计使得本发明可以实现对任意极化的电磁波进行相位控制，可以获得比传统方法更大的极化应用范围和对极化独立调控的灵活度；基于对调相电路的设计使得本发明可以实现至多360°的完全相位覆盖，可以满足实际应用的需要；本发明的相位控制功能主要来自于调相电路的设计而不是对电磁谐振结构本身的设计，可以解决大的电场和谐振电流超出有源器件极限参数的问题，实现高的功率容量。有望在高功率的可重构超表面和智能反射表面使用场景下取得广泛的应用。

技术特征：

1.一种高功率相位可重构智能反射表面，其特征在于，由结构相同的阵元排列组成；

2.根据权利要求1所述的一种高功率相位可重构智能反射表面，其特征在于，所述耦合结构(2)的形式为过孔、探针或缝隙。

3.根据权利要求1所述的一种高功率相位可重构智能反射表面，其特征在于，所述接收/发射单元(1)包括顶层的贴片和介质、地板，贴片和介质、地板依次布置形成微带天线。

4.根据权利要求1所述的一种高功率相位可重构智能反射表面，其特征在于，所述阵元按照预先设计的形状排布，所述形状为均匀分布的矩形阵、圆形阵、六边形阵、八边形阵，以及随机分布的阵列。

5.根据权利要求1所述的高功率相位可重构智能反射表面，其特征在于，所述有源器件作为纯电抗，有源器件的导行波沿微带线传播，与有源器件相互作用实现调相。

6.根据权利要求5所述的一种高功率相位可重构智能反射表面，其特征在于，所述调相电路(3)每个部分由两个变容二极管和微带线构成，两个变容二极管通过四分波长的微带线并联；用于通过调整直流偏置线加载到变容二极管上的反向偏压，调整变容二极管的等效电容进而调整调相电路(3)附加的额外相位。

7.根据权利要求1所述的一种高功率相位可重构智能反射表面，其特征在于，所述调相电路(3)的有源器件由金属线电连接，用于施加直流偏置电压，调相电路(3)用于在施加直流电压控制的情况下，改变终端阻抗为导行波的反射波附加不同的额外相位。

8.根据权利要求1所述的高功率相位可重构智能反射表面，其特征在于，所述调相电路(3)的有源器件平行于导行波前进方向，而导行波的电场束缚于微带线与介质板间的介质中，部分电场通过有源器件，通过感应在有源器件两端形成电势差。

技术总结
本发明公开了一种高功率相位可重构智能反射表面，由结构相同的阵元排列组成；所述阵元包括接收/发射单元、耦合结构、调相电路，接收/发射单元(1)、耦合结构、调相电路依次排布形成层叠结构；接收/发射单元用于将自由空间电磁波转换为单元上的电场或将来自耦合结构的场转换为自由空间电磁波并辐射；耦合结构将所述电场转换为导行波传输到调相电路，将来自调相电路的导行波转换为接收/发射单元上的电场；调相电路根据外加的直流电压唯一确定地对导行波进行移项操作以附加特定的额外相位。本发明在实现360°相位控制的同时，较高的功率容量。有望在智能反射表面的大功率入射场景中取得广泛的应用。

技术研发人员：施宏宇,张子阳
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13