集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面

1.本发明属于材料及通信技术领域，具体涉及对集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面的结构设计。


背景技术：

2.预期未来十年通信网络容量千倍增长，无处不在的无线连接成为现实，但是高度复杂的网络，高成本的硬件和日益增加的能源消耗将会是未来无线通信面临的关键问题。比如说，5g的关键技术中的大规模mimo和超密集组网，由于部署大量的基站和天线增加了硬件成本和能耗；频谱从sub-6g到毫米波，太赫兹的扩展需要更复杂的信号处理和更昂贵的耗能硬件。就目前而言，太阳能光伏发电产业制作工艺不断的改良精进，规模不断的扩大，商业化进程不断的加快。然而，将取之不尽用之不竭的绿色环保的太阳能应用到现有的通信网络中用来降低能耗，使设备小型化成为未来的大趋势。此外，随着人工智能的快速发展，无线网络从技术，设备等方面越发的智能化，由此引发了大批学者对无线环境的不可控而导致的通信性能的限制和服务质量的下降的深入思考，从而提出了一种近乎无源的，低成本，低能耗，易部署且新颖独特的技术——可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)。
3.ris通常由大量精心设计的电磁单元排列而成，利用ris控制器以可编程的方式对空间电磁波进行智能控制，从而可以改变电磁波的相位、幅度、极化和频率等参数，有望突破获取准确的信道状态信息用于相位控制。然而，有源ris既可以改变入射信号的相位，也能够放大其幅度，从而被认为是6g的关键使能技术之一。然而，当有源ris的反射元件单元数目庞大的时候，其耗电量也是一大问题，这会直接影响有源ris的商业化部署。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面的结构设计。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明的一个方面提供了一种集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面，包括反射表面主体单元、ris控制器和控制电路板，其中，
6.所述反射表面主体单元自上而下依次包括第一反射元件层、半导体晶体层、贴片电感层、第一金属背板，所述第一反射元件层上设置有规则排列的多个辐射贴片以形成多个第一反射元件单元；
7.所述ris控制器连接至所述控制电路板，所述控制电路板上集成有多个反射式放大器和多个相移电路，所述ris控制器能够控制所述反射式放大器来调整所述第一反射元件单元上入射信号的幅度，以及通过控制所述相移电路来调整所述第一反射元件单元上入射信号的相位；
8.所述第一反射元件层、所述半导体晶体层和所述第一金属背板构成太阳能电池，所述太阳能电池能够将入射到所述第一反射元件层的光转换为电能以实时向所述反射式
放大器和所述ris控制器供电。
9.在本发明的一个实施例中，所述第一反射元件层为设置在所述半导体晶体层上表面的环状辐射贴片；或者为透明导电材料形成的辐射贴片。
10.在本发明的一个实施例中，所述控制电路板上还设置有蓄电池，所述蓄电池用于存储所述太阳能电池产生的电能并在所述太阳能电池停止工作时向所述ris控制器供电。
11.在本发明的一个实施例中，所述第一反射元件层上的每个辐射贴片上均连接有一个反射式放大器和一个相移电路。
12.在本发明的一个实施例中，所述第一反射元件层上的每个辐射贴片连接有一个相移电路，所述第一反射元件层上的多个辐射贴片同时连接至一个反射式放大器。
13.本发明的另一方面提供了一种集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面，包括反射表面主体单元、ris控制器和控制电路板，其中，
14.所述反射表面主体单元自上而下依次包括第二反射元件层、玻璃基板、薄膜太阳能电池和第二金属背板，所述第二反射元件层上设置有规则排列的多个辐射贴片以形成多个第二反射元件单元；
15.所述混合ris控制器连接至所述控制电路板，所述控制电路板上集成有多个反射式放大器和多个相移电路，所述ris控制器能够控制所述反射式放大器来调整所述第二反射元件单元上入射信号的幅度，以及通过控制所述相移电路来调整所述第二反射元件单元上入射信号的相位；
16.所述薄膜太阳能电池能够将入射到所述第二反射元件层的光能转换为电能，以向所述ris控制器和所述控制电路板实时供电。
17.在本发明的一个实施例中，所述薄膜太阳能电池自上而下依次包括第一zno层、非晶硅层和第二zno层。
18.在本发明的一个实施例中，所述控制电路板上还设置有蓄电池，所述蓄电池用于存储所述太阳能电池产生的电能并在所述太阳能电池停止工作时向所述ris控制器供电。
19.在本发明的一个实施例中，所述第二反射元件层上的每个辐射贴片上均连接有一个反射式放大器和一个相移电路。
20.在本发明的一个实施例中，所述第二反射元件层上的每个辐射贴片连接有一个相移电路，所述第二反射元件层上的多个辐射贴片同时连接至一个反射式放大器。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.1、本发明集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面，利用太阳能实现绿色ris，能够有效解决有源ris的供电问题，减轻了由它辅助的通信网络的能耗和对电力系统的依赖，进一步奠定了有源ris在未来6g中的地位。
23.2、反射元件层的光学透明度至关重要，直接影响着有源ris的辐射效率和太阳能电池的效率。本发明的反射元件层采用透明导电氧化物，具有较高的透光性，有效减少了辐射贴片对太阳能电池板的遮挡，保障太阳能电池板能够完全的暴露在光照下，对太阳能电池的发电量影响最小。
24.3、本发明使用反射元件层、半导体晶体层和金属背板构成太阳能电池，降低成本并减小整个有源ris的体积，使其更易于部署和商用。此外，采用非晶硅薄膜作为太阳能电池，更进一步简化了太阳能电池板。
25.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的一种集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面的结构示意图；
27.图2是本发明实施例提供的一种反射表面主体单元的结构示意图；
28.图3是本发明实施例提供的一种控制电路板的结构示意图；
29.图4是本发明实施例提供的另一种控制电路板的结构示意图；
30.图5是本发明实施例提供的一种动态混合可重构智能反射表面辅助通信系统的工作原理示意图；
31.图6是本发明实施例提供的另一种反射表面主体单元的结构示意图；
32.图7是本发明实施例提供的一种非晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图。
33.附图标记说明：
34.1-反射表面主体单元；11-第一反射元件层；12-半导体晶体层；13-贴片电感层；14-第一金属背板；15-第二反射元件层；16-玻璃基板；17-薄膜太阳能电池；18-第二金属背板；2-ris控制器；3-控制电路板；31-反射式放大器；32-相移电路；4-去耦电路；5-馈线；6-导线；7-基站；8-反射波束。
具体实施方式
35.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面进行详细说明。
36.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
37.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
38.实施例一
39.请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种反射表面主体单元的结构示意图。本实施例的有源可重构智能反射表面，包括反射表面主体单元1、ris控制器2和控制电路板3。
40.反射表面主体单元1自上而下依次包括第一反射元件层11、半导体晶体层12、贴片电感层13、第一金属背板14，第一反射元件层11上设置有规则排列的多个辐射贴片以形成
多个第一反射元件单元；ris控制器2连接至控制电路板3，控制电路板3上集成有多个反射式放大器31和多个相移电路32，ris控制器2能够控制反射式放大器32来调整第一反射元件单元上入射信号的幅度，以及通过控制相移电路32来调整第一反射元件单元上入射信号的相位；第一反射元件层11、半导体晶体层12和第一金属背板14构成太阳能电池，太阳能电池能够将入射到第一反射元件层11的光转换为电能以向反射式放大器32和ris控制器2实时供电。在本实施例中，控制电路板3设置在反射表面主体单元1的下方。
41.具体地，第一反射元件层11位于半导体晶体层12的上表面，分别通过馈线5与去耦电路4和控制电路板3相连接。第一反射元件层11由辐射贴片构成，所述辐射贴片、半导体晶体层12和第一金属背板14构成太阳能电池，辐射贴片作为反射元件层的同时也作为太阳能电池的上电极。半导体晶体层12作为天线的介质基板。第一金属背板14位于半导体晶体层12的下方，作为太阳能电池板的衬底，并用作太阳能电池的一个输出电极。所述太阳能电池之间通过贴片电感层13连接，即贴片电感层13连接各第一反射元件单元的太阳能电池的底部。控制电路板3通过导线7分别与第一金属背板14和混合ris控制器2连接。
42.在本实施例中，该动态混合可重构智能反射表面的第一反射元件层11为设置在半导体晶体层12上表面的环状辐射贴片，或者采用透明导电材料形成辐射贴片，以便减少遮挡，增强半导体晶体对太阳光的吸收。第一金属背板14采用铜或银。
43.需要说明的是，由第一反射元件层11、半导体晶体层12和第一金属背板14构成的太阳能电池的导电层(即半导体晶体层)在反射元件层贴片辐射电磁波时会产生电磁耦合，必然影响到贴片的辐射性能。为了消除耦合效应，需要贴片和导电层相隔很大的距离，但这会使整个可重构智能反射表面的体积变大。鉴于此，本实施例在半导体晶体层12与第一金属背板14之间设置有贴片电感层13，利用电感通直流隔交流的性质，采用贴片电感层13连接各太阳能电池的底部，从太阳能电池中提取光伏产生的直流电流，同时也阻隔了由于太阳能电池中交变的电流产生的变化的磁场对贴片辐射性能的影响。本实施例的贴片电感层13具体为把多个电感串联起来，集成在一个贴片上，形成一个贴片层。进一步地，如图2所示，本实施例的第一反射元件层11还连接有去耦电路4，去耦电路4连接在第一反射元件层11与控制电路板3之间。具体地，该去耦电路4的一端连接到由第一反射表面的每个辐射贴片构成的整个第一反射元件层上面，而另一端连接到第一反射表面的控制电路板上。本实施例的去耦电路4为dc/rf去耦电路，包括并联的电容c和电感l，其中，电容c的一端连接第一反射元件层11，另一端连接控制电路板3；电感l的一端连接第一反射元件层11，另一端连接控制电路板3。去耦电路4能够减少直流总线对天线性能的影响，消除阻抗匹配性能的影响。
44.需要说明的是，在该有源可重构智能反射表面的实际工作过程中，反射式放大器31需要进行实时供电，当白天阳光充足时，所述太阳能电池产生的电能能够对反射式放大器31进行供电，使得反射式放大器31能够对第一反射元件单元上入射信号的幅度进行调节，同时，相移电路32能够对第一反射元件单元上入射信号的相位进行调节，此时，所述第一反射元件单元处于有源反射模式；当没有阳光时，反射式放大器31不能进行供电而停止工作，相移电路32不需要供电，仍然能够对第一反射元件单元上入射信号的相位进行调节，此时，所述第一反射元件单元处于无源反射模式。
45.换句话说，本实施例的第一反射元件单元能够根据是否能够进行太阳能供电而自
动调节进入有源反射模式或无源反射模式。当有太阳能转换为电能时，反射式放大器开始工作，此时，ris为有源状态。当在夜晚或者太阳被遮挡的时候，控制电路板内部只有相移电路工作，此时ris为无源状态。
46.进一步地，控制电路板3上还设置有蓄电池，蓄电池用于存储太阳能电池产生的电能并在太阳能电池停止工作时向ris控制器2供电。ris控制器的耗电量比较少，本实施例的控制电路板3上设置小型的蓄电池，在太阳能电池停止工作时向ris控制器2供电，以保证ris控制器2持续处于工作状态。
47.具体地，当白天阳光充足时，所述太阳能电池产生的电能能够对ris控制器2实时进行供电，同时对所述蓄电池进行充电，当没有阳光时，转而由所述蓄电池对ris控制器2进行供电，ris为无源状态继续正常工作。
48.进一步地，所述太阳能电池与所述蓄电池之间还连接有稳压电路，以对太阳能电池产生的电能进行稳压后传输至所述蓄电池。具体地，太阳能电池是将光能转换为电能并将其输送到控制电路板3中的蓄电池里面储存起来，由于太阳光不同时间段的强弱不一样，太阳能电池输出的电压受光照的影响太大，因此需要先经过一个稳压电路，再连接到控制电路板3中的所述蓄电池将电能储存在蓄电池中，该蓄电池保证了电源能稳定持续为器件供电，使其可在夜间和白天正常工作。另外，所述太阳能电池产生的电能也需要经过稳压电路的调节才能够为反射式放大器32和ris控制器2供电。
49.请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种控制电路板的结构示意图在一个实施例中，第一反射元件层11上的每个第一反射元件单元上均连接有一个反射式放大器31和一个相移电路32。对于该第一种结构，可以根据太阳能实时转化的能量大小，以及通过相应的算法优化，对每个第一反射元件单元的功率进行合理分配。
50.进一步地，请参见图4，图4是本发明实施例提供的另一种控制电路板的结构示意图。在另一实施例中，第一反射元件层11上的每个第一反射元件单元连接有一个相移电路32，第一反射元件层11上的多个第一反射元件单元同时连接至一个反射式放大器31。对于该第二种结构，与上述第一种结构工作原理相同，不同之处在于在算法优化时，针对每个块(每个块包含多个第一反射元件单元)的功率进行合理分配。第二种结构相对第一种结构来讲，可以减少反射式放大器的使用，节约硬件成本。
51.本实施例的动态混合可重构智能反射表面的工作原理如下：
52.首先，当阳光充足时，太阳光通过第一反射表面上的辐射贴片(第一反射元件层)照射在半导体晶体层上的单晶硅pn结上后，产生电子-空穴对。继而在pn结势垒区内产生较强的内建电场，pn结两边的光生载流子受该场的作用，各自向相反方向运动。最后，光生载流子被太阳能电池的两极(即第一反射元件层11和第一金属背板14)收集并在稳压电路进行稳压后实时为控制电路板3和混合ris控制器2供电。具体地，当有来自基站7的入射信号射入到该有源可重构智能反射表面上时，ris控制器2发送指定反射相位和幅度的命令至相移电路32和反射式放大器31，相移电路32改变到达有源反射元件的入射信号的相位，反射式放大器31放大入射信号的幅度，产生有源反射元件反射的波束8，如图4所示。
53.进一步地，当没有阳光时，反射式放大器31不能进行供电而停止工作，相移电路32不需要供电，仍然能够对第一反射元件单元上入射信号的相位进行调节，此时，所述第一反射元件单元处于无源反射模式。此时，当有来自基站7的入射信号射入到该有源可重构智能
反射表面上时，ris控制器2发送指定反射相位命令至相移电路32，相移电路32改变到达反射元件的入射信号的相位，产生无源反射元件反射的波束。
54.本实施例为集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面的结构设计，利用太阳能实现绿色ris，能够有效解决有源ris的供电问题，减轻了由它辅助的通信网络的能耗和对电力系统的依赖，进一步奠定了有源ris在未来6g中的地位。本实施例的反射元件层采用透明导电氧化物，具有较高的透光性，有效减少了辐射贴片对太阳能电池板的遮挡，保障太阳能电池板能够完全的暴露在光照下，对太阳能电池的发电量影响最小。
55.实施例二
56.在上述实施例的基础上，本实施例提供了另一种集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面。请一并参见图1和图6，本实施例的有源可重构智能反射表面，包括反射表面主体单元1、ris控制器2和控制电路板3。
57.反射表面主体单元1自上而下依次包括第二反射元件层15、玻璃基板16、薄膜太阳能电池17和第二金属背板18，第二反射元件层15上设置有规则排列的多个辐射贴片以形成多个第二反射元件单元。ris控制器2连接至控制电路板3，控制电路板3上集成有多个反射式放大器31和多个相移电路32，ris控制器2能够控制反射式放大器31来调整第二反射元件单元上入射信号的幅度，以及通过控制相移电路32来调整第二反射元件单元上入射信号的相位；薄膜太阳能电池17能够将入射到第二反射元件层15的光能转换为电能，以向ris控制器2和控制电路板3实时供电。在本实施例中，控制电路板3设置在反射表面主体单元1的下方。
58.具体地，玻璃基板16用于将第二反射元件层15与薄膜太阳能电池17隔离开。第二金属背板18位于薄膜太阳能电池17的下方，作为薄膜太阳能电池17的衬底，并用作薄膜太阳能电池17的一个输出电极和辐射贴片的地端。控制电路板3通过导线6与第二金属背板18连接，并通过导线6与混合ris控制器2相连接。
59.本实施例的第二反射元件层15为设置在玻璃基板16上表面且由透明导电氧化物构成的辐射贴片。优选的，透明导电氧化物为铟锡氧化物ito。铟锡氧化物具有较高的透光性，有效的减少了辐射贴片对太阳能电池板的遮挡，保障太阳能电池板能够完全的暴露在光照下，对太阳能电池的发电量影响最小。
60.进一步地，如图7所示，本实施例的薄膜太阳能电池17由zno和非晶硅a-si两种物质构成，自上而下依次包括第一zno层、非晶硅层和第二zno层。需要说明的是，在其他实施例中，薄膜太阳能电池17还可以是其他适合的薄膜太阳能电池类型，这里不作为限制。第二金属背板18采用铜或银等金属制成。
61.进一步地，控制电路板3上还设置有蓄电池，蓄电池用于存储太阳能电池产生的电能并在太阳能电池停止工作时向ris控制器2供电。ris控制器的耗电量比较少，本实施例的控制电路板3上还设置有小型的蓄电池，在太阳能电池停止工作时向ris控制器2供电，以保证ris控制器2持续处于工作状态。
62.具体地，当白天阳光充足时，所述太阳能电池产生的电能能够对ris控制器2实时进行供电，同时对所述蓄电池进行充电，当没有阳光时，转而由所述蓄电池对ris控制器2进行供电。
63.如图3所示，在一个实施例中，第二反射元件层15上的每个辐射贴片上均连接有一
个反射式放大器31和一个相移电路32。对于该第一种结构，可以根据太阳能实时转化的能量大小，以及通过相应的算法优化，对每个第二反射元件单元的功率进行合理分配。
64.如图4所示，在另一实施例中，第二反射元件层15上的每个辐射贴片连接有一个相移电路32，第二反射元件层15上的多个辐射贴片同时连接至一个反射式放大器31。对于该第二种结构，与上述第一种结构工作原理相同，不同之处在于在算法优化时，针对每个块(每个块包含多个第二反射元件单元)的功率进行合理分配。第二种结构相对第一种结构来讲，可以减少反射式放大器的使用，节约硬件成本。
65.本实施例的动态混合可重构智能反射表面的工作原理如下：
66.首先，当阳光充足时，太阳光通过第二反射元件层上的透明导电氧化物辐射贴片照射在薄膜太阳能电池上，由于光伏效应而在势垒区两边产生了电动势。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在pn结的两边产生电子-空穴对。继而在pn结势垒区内产生较强的内建电场，pn结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动。最后，光生载流子被太阳能电池的两极收集并经过稳压电路进行稳压后为控制电路板3和混合ris控制器2供电。具体地，当有来自基站7的入射信号射入到该有源可重构智能反射表面上时，ris控制器2发送指定反射相位和幅度的命令至相移电路32和反射式放大器31，相移电路32改变到达有源反射元件的入射信号的相位，反射式放大器31放大入射信号的幅度，产生有源反射元件反射的波束8，如图4所示。
67.进一步地，当没有阳光时，反射式放大器31不能进行供电而停止工作，相移电路32不需要供电，仍然能够对第二反射元件单元上入射信号的相位进行调节，此时，所述第二反射元件单元处于无源反射模式。当有来自基站7的入射信号射入到该有源可重构智能反射表面上时，ris控制器2发送指定反射相位命令至相移电路32，相移电路32改变到达有源反射元件的入射信号的相位，产生无源反射元件反射的波束。
68.本实施例为集成太阳能电池的有源可重构智能反射表面的结构设计，利用太阳能实现绿色ris，能够有效解决有源ris的供电问题，减轻了由它辅助的通信网络的能耗和对电力系统的依赖，进一步奠定了有源ris在未来6g中的地位。本实施例采用非晶硅薄膜作为太阳能电池，更进一步简化了太阳能电池板。
69.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。