一种全空间电磁调控超表面及超表面单元

1.本发明属于无线通信技术领域，用于对电磁波波束进行调控，具体地涉及一种全空间电磁调控超表面及超表面单元，是用于同时调控透射反射电磁波幅度、相位、极化的超表面。


背景技术：

2.随着通信技术的不断发展，对新型通信设备提出了新的要求；在高速无线通信系统中，为了使信号发生装置提供较高的增益，保证数据传输的速度与可靠性，往往使用高增益、高方向性的天线阵列来实现定向波束的产生，但由于天线整列产生的波束较窄无法覆盖全部通信区域，为了充分利用天线阵列高方向性的特点，灵活地调控天线阵列的波束指向，使波束指向需要进行通信的目标便显得非常重要。
3.超表面具有剖面低，尺寸小，调节灵活的特点，可以控制电磁波的幅度、相位、极化等特性。传统形式的超表面控制电磁波幅度、相位及极化状态的方式主要为调控超表面单元谐振部分的几何尺寸或旋向，并且通过将不同的超表面单元按一定规律进行排列便形成了具有特定功能的超表面，如波束调控超表面、聚焦超表面等。
4.然而传统的超表面无法对自身特性进行灵活调控，当超表面加工成型后其相关特性功能便无法改变，无法做到实时波束扫描及波束赋形，这就限制了传统形式的超表面在实时高速通信环境中的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服传统形式的超表面存在的无法实现快速精准的电磁波调控问题，并提供一种全空间电磁调控超表面及超表面单元，本发明能够调控透反电磁波的幅度相位与极化状态的方法，通过该方法可以实现特定极化状态电磁波幅度与相位的实时可调。
6.为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
7.一种全空间电磁调控超表面，包括依次设置的第一电磁波耦合/解耦部分、传输层和第二电磁波耦合/解耦部分；
8.所述的第一电磁波耦合/解耦部分表面具有用于对空间电磁波的耦合与导行电磁波的解耦并可以实现对反射或透射电磁波的极化调控的第一贴片；
9.所述的传输层通过传输线结构与第一电磁波耦合/解耦部分和第二电磁波耦合/解耦部分导通，传输层具有用于将传输线结构中的导行电磁波利分为反射波与透射波并对幅度与相位进行调控的可调元件；
10.所述的第二电磁波耦合/解耦部分具有用于实现空间电磁波的耦合与导行电磁波的解耦并反射或透射电磁波的极化调控的第二贴片；
11.所述第一贴片、第二贴片与传输线结构射频连接。
12.作为本发明的进一步改进，所述第一电磁波耦合/解耦部分、传输层和第二电磁波
耦合/解耦部分之间通过传输柱射频连接，传输柱与第一贴片、可调元件、第二贴片连接；
13.或者所述第一电磁波耦合/解耦部分、传输层和第二电磁波耦合/解耦部分之间通过缝隙耦合方式射频连接。
14.作为本发明的进一步改进，所述全空间电磁调控超表面由多个超表面单元规律排列构成。
15.作为本发明的进一步改进，所述超表面单元包括依次叠层设置的顶层、中间层和底层；
16.所述顶层包括顶层介质和设置在顶层介质上表面的顶层金属贴片；
17.所述中间层包括两层中间介质与所述传输线结构；两层中间介质上下表面分别设置有第一中间贴片、第二中间贴片，传输线结构设置在两层中间介质之间；
18.所述底层包括底层介质和设置在底层介质下表面的底层金属贴片。
19.作为本发明的进一步改进，所述传输线结构包括设置在中间介质上的金属传输线，金属传输线两端设置有金属通孔，所述可调元件与金属传输线并联，可调元件通过接地短路柱穿过两层中间介质分别与第一中间贴片、第二中间贴片连接；
20.所述传输柱穿过金属传输线上的金属通孔与顶层金属贴片、第一中间贴片、第二中间贴片和底层金属贴片连接。
21.作为本发明的进一步改进，所述中间介质、顶层介质与底层介质的介电常数均为3.48。
22.作为本发明的进一步改进，所述可调元件为变容二极管、pin二极管或射频开关。
23.一种全空间电磁调控超表面单元，包括依次叠层设置的顶层、中间层和底层；
24.所述顶层包括顶层介质和设置在顶层介质上表面的顶层金属贴片；
25.所述中间层包括两层中间介质与传输线结构；两层中间介质上下表面分别设置有第一中间贴片、第二中间贴片，传输线结构设置在两层中间介质之间；
26.所述底层包括底层介质和设置在底层介质下表面的底层金属贴片。
27.作为本发明的进一步改进，所述传输线结构包括设置在中间介质上的金属传输线，金属传输线两端设置有金属通孔，所述可调元件与金属传输线并联，可调元件通过接地短路柱穿过两层中间介质分别与第一中间贴片、第二中间贴片连接；
28.所述传输柱穿过金属传输线上的金属通孔与顶层金属贴片、第一中间贴片、第二中间贴片和底层金属贴片连接。
29.作为本发明的进一步改进，所述可调元件为变容二极管、pin二极管或射频开关。
30.本发明与现有技术相比，具有如下技术优点和有益效果：
31.本发明中的基于耦合-传输-解耦结构的超表面，通过可调元件将反射阵列与透射阵列的主要功能联系起来，具有同时调节反射与透射波的幅度、相位与极化的能力。将变容二极管与基于耦合-传输-解耦模式的超表面单元结合起来，在超表面单元的传输线结构中并联一变容二极管，通过改变变容二极管两端的电压及传输线结构，便可以实现对透射与反射电磁波的独立调控，且对超表面单元的辐射结构几乎没有影响。通过改变超表面单元的尺寸可以较为容易地实现对其工作频段的调控，通过调整顶层与底层贴片的馈电位置可以实现对反射与透射波极化状态的控制，调节方式方便灵活。
32.本发明提供了具有基于耦合-传输-解耦结构的超表面单元，该单元含有五层金属
结构与四层介质，可以分为耦合部分，传输部分与解耦部分，通过设计超表面不同的部分可以实现对透反电磁波幅度、相位与极化的控制。
附图说明
33.在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：
34.图1是本发明实例采用的超表面单元结构示意图；
35.图2是本发明实例采用的超表面单元的中间传输线部分示意图；
36.图3是本发明实例超表面单元不加载并联变容二极管时仿真得到的反射与透射幅度；
37.图4是本发明实例采用的超表面单元在不同电容值下反射电磁波的幅度分布情况；
38.图5是本发明实例采用的超表面单元在不同电容值下反射电磁波的相位分布情况；
39.图6是本发明实例采用的超表面单元在不同电容值下透射电磁波的幅度分布情况；
40.图7是本发明实例采用的超表面单元在不同电容值下透射电磁波的相位分布情况；
41.图8为本发明实例提出的一个的超表面结构图；
42.图9为本发明实例提出的一个的超表面阵列示意图。
具体实施方式
43.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
44.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
45.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
46.如图1所示，本发明给出一种全空间电磁调控超表面单元，包括依次叠层设置的顶层、中间层103和底层；
47.所述顶层包括顶层介质102和设置在顶层介质102上表面的顶层金属贴片101；
48.所述中间层103包括两层中间介质与传输线结构；两层中间介质103上下表面分别设置有第一中间贴片105、第二中间贴片106，传输线结构设置在两层中间介质之间；
49.所述底层包括底层介质107和设置在底层介质107下表面的底层金属贴片104。
50.因此，本发明设计了一种具有基于耦合-传输-解耦结构的超表面单元，该单元含有五层金属结构与四层介质，可以分为耦合部分，传输部分与解耦部分，通过设计超表面不同的部分可以实现对透反电磁波幅度、相位与极化的控制。
51.为了调节超表面单元的反射与透射电磁波的幅度与相位特性，实现透反电磁波束的实时可调，在超表面传输层添加了一个可调元件(变容二极管、pin二极管、射频开关等)，通过调节可调元件的参数，便可以实现对反射与透射电磁波的幅度与相位的调控。
52.第一电磁波耦合/解耦部分1、传输层2和第二电磁波耦合/解耦部分3之间通过传输柱射频连接，传输柱与第一贴片、可调元件23、第二贴片连接；
53.或者所述第一电磁波耦合/解耦部分1、传输层2和第二电磁波耦合/解耦部分3之间通过缝隙耦合方式射频连接。
54.具体的，如图2所示，传输线结构包括设置在中间介质201上的金属传输线205，金属传输线205两端设置有金属通孔203，所述可调元件23与金属传输线205并联，可调元件23通过接地短路柱202穿过两层中间介质分别与第一中间贴片105、第二中间贴片106连接；
55.所述传输柱穿过金属传输线205上的金属通孔203与顶层金属贴片101、第一中间贴片105、第二中间贴片106和底层金属贴片104连接。
56.超表面单元整体尺寸较小，单元周期为0.29个工作波长，单元厚度为0.059个工作波长。
57.实施例
58.本发明所采用的一个全空间电磁调控透反超表面单元如图1所示。所述超表面单元有五层金属结构及四层介质层组成，101与104分别为顶层与底层的金属贴片，其尺寸均为16mm
×
16mm，105与106为金属地，其尺寸均为18.5mm
×
18.5mm，地上有直径为0.8mm的圆形隔离孔，保证中间层的地与金属通孔无直接连接，103为超表面单元的中间层，包括两层介质与传输线结构(图2)，介质层尺寸为18.5mm
×
18.5mm
×
0.254mm，介电常数为3.48，102与107的尺寸为18.5mm
×
18.5mm
×
1.524mm，介电常数为3.48。
59.图2为超表面单元的中间层结构，201为中间层的介质板，202为接地短路柱，其直径为0.4mm，203为一直径为0.4mm的金属通孔，通过地上的隔离孔与顶层贴片相连，204为变容二极管，通过改变它的电容值，可以实现对透射及反射电磁波幅度与相位的调控，205为中间层带状线的金属传输线部分，其宽度为1.2mm。通过改变相关结构，如单元尺寸及介质板的介电常数等可以较为直接地实现对超表面阵列单元工作频率的控制。
60.本发明实施例经过设计，单元的不同部分间保持着较好的匹配状态，图3为超表面单元不加载变容二极管时的仿真结果，其全透状态表明上层贴片—传输线结构—底层贴片间保持着较好的匹配。
61.当改变变容二极管的电容值大小时，电磁波的反射与透射幅度与相位会相应地发生改变，图4给出了在不同电容值下超表面的反射幅度分布情况，图5给出了在不同电容值下超表面的反射相位的分布情况；可以看出，通过调整变容二极管电容值的大小，对超表面的反射幅度与相位有较好的调控作用。图6给出了在不同电容值下超表面的透射幅度的分
布情况，图7给出了在不同电容值下超表面的透射相位的分布情况；可以看出，通过调整变容二极管电容值的大小，对超表面的透射幅度与相位有较好的调控作用。
62.图7给出了超表面阵列的一个排列方式，通过调整不同单元对反射波与透射波幅度、相位与极化的调控作用，便可以同时实现对透反电磁波波束的独立调控。
63.本发明中，在调整好超表面单元的相关参数后，可以实现：
64.a同时对反射波与透射波的幅度、相位与极化特性进行调控。
65.b实现反射波与透射波的独立调控。
66.在优选的技术方案中，通过调整超表面单元的周期、相关金属结构的尺寸及介质层的介电常数，可以较为灵活地调节超表面单元的工作频段。
67.在优选的技术方案中，可以将可调元件的一端接在中间传输层金属线上，另一端接在与地相连接的短路柱上，通过在与传输线结构相连接部分及地间添加不同的电压即可控制可调元件相关参数。进而实现电磁波幅度及相位的控制。
68.本发明还公开了一种具有同时调控反射与透射电磁波幅度、相位与极化状态的超表面，超表面单元的顶层与底层金属结构为方形贴片，中间件层为带状线，四层介质板的介电常数均为3.48。带状线中间层并联一变容二极管用来调控电磁波的幅度与相位。
69.具体的，如图8所示，本发明的一种全空间电磁调控超表面，包括依次设置的第一电磁波耦合/解耦部分1、传输层2和第二电磁波耦合/解耦部分3；
70.所述的第一电磁波耦合/解耦部分1表面具有用于对空间电磁波的耦合11与导行电磁波的解耦12并可以实现对反射或透射电磁波的极化调控的第一贴片；
71.所述的传输层2通过传输线结构与第一电磁波耦合/解耦部分1和第二电磁波耦合/解耦部分3导通，传输层2具有用于将传输线结构中的导行电磁波利分为反射波22与透射波21并对幅度与相位进行调控的可调元件23；
72.所述的第二电磁波耦合/解耦部分3具有用于实现空间电磁波的耦合31与导行电磁波的解耦32并反射或透射电磁波的极化调控的第二贴片。
73.所述第一电磁波耦合/解耦部分1、传输层2和第二电磁波耦合/解耦部分3之间通过传输柱支持并留有间隙，传输柱与第一贴片、可调元件23、第二贴片连接。
74.如图9所示，所述全空间电磁调控超表面通过多个不同的超表面单元规律排列形成。超表面单元采用上述的全空间电磁调控超表面单元。
75.所述超表面单元包括顶层、中间层103和底层；
76.所述顶层包括顶层介质102和设置在顶层介质102上表面的顶层金属贴片101；
77.所述中间层103包括两层中间介质与传输线结构；两层中间介质103上下表面分别设置有第一中间贴片105、第二中间贴片106，传输线结构设置在两层中间介质之间；
78.所述底层包括底层介质107和设置在底层介质107下表面的底层金属贴片104。
79.本发明具有同时调控透射电磁波与反射电磁波幅度、相位与极化的超表面阵列的单元结构。超表面单元的设计基于耦合-传输-解耦结构，通过任意一侧的贴片耦合接收自由空间的电磁波，通过适当地调整贴片与中间层的馈电位置便可以使耦合形成的导行波传导至中间层带状线上。通过调整传输线上的可调元件便可以控制反射与透射电磁波的幅度与相位，在可调元件的作用下中间层导行电磁波可以分为反射电磁波与透射电磁波并分别传导至超表面单元两侧贴片，并由贴片解耦辐射至自由空间。通过调整顶层与底层贴片的
馈点，便可以调整反射与透射电磁波的极化状态。
80.所述的第一电磁波耦合/解耦部分1可以通过贴片等装置实现对空间电磁波的耦合11与导行电磁波的解耦12并可以实现对反射或透射电磁波的极化调控；
81.所述的传输层2可以实现将传输线中的导行电磁波利用可调元件23分为反射波22与透射波21，并对他们的幅度与相位进行调控；
82.所述的第二电磁波耦合/解耦部分3可以实现空间电磁波的耦合31与导行电磁波的解耦32并可以实现对反射或透射电磁波的极化调控；；
83.第一电磁波耦合/解耦部分1与3均可以实现对电磁波的耦合(接收)与解耦(辐射)。
84.本发明同时调控透射与反射波束的幅度、相位与极化，具体是：
85.当空间电磁波照射到第一电磁波耦合/解耦部分1或第二电磁波耦合/解耦部分3时，该部分会将空间电磁波耦合为导行电磁波，并传导至传输层2，在传输层2中的可调元件23作用下，导行电磁波会分为透射波21与反射波22且其幅度与相位均会受到可调元件23的调控。产生的反射波及透射波会由第一电磁波耦合/解耦部分1或第二电磁波耦合/解耦部分3辐射到空间中。透反电磁波的极化状态可由第一电磁波耦合/解耦部分1及第二电磁波耦合/解耦部分3来控制。
86.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
87.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。