一种基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面

本发明涉及无线通信网络领域，特别涉及专门适用于无线通信网络的设备、接入点设备，一种新型基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面的原型设计。

背景技术：

1、随着全息视频和元宇宙等新兴应用的爆炸式增长，6g有望实现比5g提高10倍的频谱效率。所需的关键性能指标，包括数据速率、可靠性、延迟、频谱/能源效率和连接密度，将优于5g。例如，预计6g的能量和频谱效率将分别是5g的10-100倍和5倍。然而，现有的5g物理层技术无法完全实现这些指标，这些技术包括大规模多输入多输出(mimo)、毫米波(mmwave)通信和超密集异构网络。特别是，大规模mimo需要大量的天线和有源射频链来实现高频谱效率，这导致了高能耗和高硬件成本。此外，移动到毫米波频段使电磁波在室内场景中更容易受到家具和墙壁等障碍物的阻挡。

2、因此，采取新技术将无线环境中不受控制的反射、折射和意外干扰作为一个额外的变量进行优化时，预期会有巨大的性能提升。可重构智能表面(ris)已成为必不可少的候选技术。ris能够将无线传播环境重新配置为具有更理想特性的传输介质为了实现这一目标，通过调整入射电磁波的相位和幅度响应，实现动态波束形成，提高频谱效率，克服阻塞。

3、然而，现有的研究成果主要考虑的是使用反射ris，这可能导致通信小区内出现盲区覆盖。具体来说，对于反射式ris，基站和用户需要位于ris的同一侧，这给物理拓扑带来了额外的地理约束。例如，反射式ris很难辅助车辆外部的发射器和车辆内部的接收器之间的通信。为了解决这一问题，最近提出了传输式ris，下述为透射式智能超表面(its)，信号可以通过传输ris传输形成定向波束。这样，its就有可能填补反射式ris的覆盖漏洞。

4、相位可重构性是its最基本的性能，因此通常将pin二极管、变容二极管等固态电子器件集成在每个its元件中，以动态控制其相位响应。然而，基于传统频选表面原理实现的its具有非常高的传输插入损耗，因此its的孔径效率大大降低。且大多数现有设计侧重于基于pin二极管1位相位可重构性的its，设计和制造困难是可控的，基于变容二极管所实现多位相位可重构的its的设计制造亟待研究。

5、为了解决固有高插损的问题，惠更斯原理被应用于透射式超表面的设计中。通过同时在表面设计并置电流和磁流来减少透射超表面的层数。惠更斯的超表面的特点是可以实现近乎完美的传输特性，因此不可重构的惠更斯超表面可以实现光束弯曲和分裂，艾里光束的产生、宽带波操纵、参数波控制等等。因此惠更斯超表面的概念可以被引用至its硬件的设计方案中。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面，通过控制变容管的两侧电压值可以在x轴极化方向上实现低损耗的调相功能。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面，包括由多个基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面单元组成的主面板，和连接外部馈电设备和主面板的控制面板；

4、所述基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面单元为五层结构；

5、本发明中的智能超表面单元第一层为金属层，金属贴片部分包含两个方向相反的m字形铜制金属贴片，两个所述贴片使用变容二极管相连接，以所述第一层的中心为原点，将所述变容管的连接方向设定为直角坐标系的x轴，以垂直于所述y轴的连接方向作为y轴，下述描述方式均遵循此原则；

6、本发明中的智能超表面单元第五层为金属层，与第一层金属层结构参数相同且与之呈沿y轴的轴对称分布关系；

7、本发明中智能超表面单元的变容二极管位于第一层金属层和第五层金属层两个方向相反的m字形铜制金属贴片之间，通过外部直流馈电更改变容二极管的容值，控制透射超表面单元激发的电共振和磁共振耦合程度，从而控制电磁波相位的变化。

8、本发明中智能超表面单元的第二层和第四层为介质基板层，厚度和材质均相同，中间的4个金属通孔用于将第一层金属层和第五层金属层中的变容二极管与第三层金属层的直流馈线相连；

9、可选的，4个所述金属过孔位于所述直角坐标系上，在x轴上呈现均匀分布；

10、本发明中智能超表面单元的第三层为金属层，包含用于连接顶层二极管和底层二极管的直流馈线，设计为连接第一层金属层和第五层金属层中加载的变容二极管的馈线网络，其中将施加电压的一侧相连，将另一接地端相连，从而实现一组电压联动调制第一层金属层和第五层金属层中加载的变容二极管容值的功能；

11、本发明中的透射智能超表面包含透射超表面主面板和馈电控制面板；

12、透射超表面主面板由8×8个周期排布的透射超表面单元组成，其中沿x轴排布8行透射超表面单元，沿y轴排布8列透射超表面单元；

13、其中，x轴上相邻智能超表面单元第三层金属层的金属贴片采用同一直流偏置线连接，通过直流电压源对整行智能超表面单元中加载的变容二极管进行馈电，以节约制版成本和降低控制端的复杂度；

14、馈电控制面板部分由9条直流偏置线和9个端口组成，其中9个直流馈电端口包括8个给与不同电压的馈电端口和1个接地的接地端口；

15、其中，8行智能超表面单元与8条直流偏置线相连接对应8个馈电端口，1条直流偏置线和1个直流馈电端口相连接接地，通过外部控制系统进行直流电压馈电即可控制主面板智能超表面单元的相位响应；

16、本发明中的9个直流馈电端口由9个贯通的金属通孔组成，通孔沿y轴排列，每个通孔的设计直径和通孔之间的距离以外部控制端连接线的型号为准。

17、有益效果

18、根据本发明提供的具体实施例，本发明实现了以下技术效果：

19、本发明提供了一种基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面，包括多个基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面单元，每个基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面单元上沿x轴极化方向上集成了一对变容二级管，通过控制变容管的两侧电压值可以实现透射相位的调控。

20、本发明的低损耗透射式智能超表面单元在x轴极化方向上可以在实现透射相位的2比特调控。

21、本发明的低损耗透射式智能超表面单元在x轴极化方向上实现透射相位调控的范围内最低插入损耗为2.58db,平均插入损耗为0.8db。

22、本发明的低损耗透射式智能超表面单元调控的中心频点为11ghz,带宽为10.25ghz至11.25ghz,总带宽为500mhz。

技术特征：

1.一种基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面，其特征在于，所述透射超表面包括：主面板包括多个变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面单元，由控制面板连接外部馈电源和主面板的超表面单元，通过改变变容二极管的电容值从而对电磁波相位进行调制。

2.根据权利要求1所述的透射超表面单元为五层结构，由两层介质基板和三层金属组成；

3.根据权利要求2所述的透射超表面单元，其特征在于，变容二极管位于第一层金属层和第五层金属层两个方向相反的m字形铜制金属贴片之间，通过外部直流馈电更改变容二极管的容值，控制透射超表面单元激发的电共振和磁共振耦合程度，从而控制电磁波相位的变化。

4.根据权利要求2所述的透射超表面单元，其特征在于，第三层的金属层设计为连接第一层金属层和第五层金属层中加载的变容二极管的馈线网络，其中将施加电压的一侧相连，将另一接地端相连，从而实现一组电压联动调制第一层金属层和第五层金属层中加载的变容二极管容值的功能。

5.根据权利要求2所述的透射超表面单元，其特征在于，通过调节超表面单元周期的几何参数、第一层和第五层金属层中m字形铜制金属贴片的几何参数、第三层金属层中直流馈线的几何参数、两层介质基板厚度的几何参数，确定一组最佳的几何参数值，使得变容二极管控制的透射超表面单元相位的变化范围最大且插入损耗最小。

6.根据权利要求1所述的透射智能超表面，其特征在于由透射超表面主面板和控制面板组成；

7.根据权利要求6所述的透射智能超表面，其特征在于，x轴上相邻透射超表面单元第三层金属层的金属贴片采用同一直流偏置线连接，通过直流电压源对整行透射超表面单元中加载的变容二极管进行馈电，以节约制版成本和降低控制端的复杂度。

8.根据权利要求6所述的透射智能超表面，其特征在于，8行透射超表面单元与8条直流偏置线相连接对应8个馈电端口，1条直流偏置线和1个直流馈电端口相连接接地；

技术总结
本发明公开了一种基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面，涉及无线通信网络领域，特别涉及专门适用于无线通信网络的设备、接入点设备，包括：以惠更斯表面为设计原理，设计一个基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面单元，通过控制变容管的两侧电压值可以在x轴极化方向上实现低损耗的调相功能，利用电磁仿真软件优化其几何参数并输出设计模型的透射电磁响应；基于设计的单元模型进行智能超表面面板的总体设计，包括由多个基于变容二极管调制的低损耗透射式智能超表面单元组成的主面板，和连接外部馈电设备和主面板的控制面板。

技术研发人员：张鸿涛,柳源
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15