CN114976667B - 一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，属于新型人工电磁材料领域。该超表面包括：多个3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元；可重构智能超表面单元为四层结构；第一层包含4个关于中心对称的Y形金属贴片和扇形金属贴片，Y形金属贴片和扇形金属贴片之间使用变容管相连接；第二层为沿x轴方向的馈电层；第三层为沿y轴方向的馈电层；第四层为金属接地层；每个扇形金属贴片的中心通过金属过孔贯穿第二层、第三层以及第四层；通过改变正交极化方向上变容管的两侧电压值，使得3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元在两个正交极化方向上独立实现双极化3比特相位调制，进而在正交极化方向上实现解耦。本发明能够调制双极化相位。
Description
技术领域
本发明涉及新型人工电磁材料领域，特别是涉及一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面。
背景技术
当今时代，无线通信技术领域随着信息技术和科学技术的不断发展，其目前的网络传输速率已不满足其应用需求。万物互联的时代已经来临，但日益增加的能源消耗、集成复杂的网络、较高硬件成本的花费逐渐成为未来无线通信所要面临的关键问题。如较密集组网中的大量基站增加了硬件花费和维护成本，且还需面对网络干扰问题。频谱从sub-6G到毫米波、太赫兹的延拓对昂贵的耗能硬件和复杂的信息处理要求越来越高。为了解决未来无线网络问题，创新性、高效率、频谱资源的节约研究势在必行。在当前的相关技术中，可重构智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）具有独特的可编程、低成本、较易编程等特点成为重点关注技术。
RIS是由超材料技术发展而来，是一种可实时编程调控电磁特性的人工表面结构。近年来电磁特性实时可编程的特点已成为RIS技术迅速发展的关键助力，从而实现传统超材料无法实现的各种功能和现象。一般而言，RIS由精密设计的许多电磁单元排列组合而成，通过调节加载在单元上的可调元件，如PIN管、三极管、MEMS、石墨烯、温敏器件、光敏器件等其它的有源超材料，可以动态实时调控RIS单元电磁特性，如幅度、相位、极化、频率等参数可调，从而可以用实时可编程方式对空间电磁波进行主动的智能控制。
众所周知，无线环境是传统通信中不可控因素，一般会降低通信效率和服务质量。无线信号的传播距离受信号衰减程度限制，多径效应导致衰落现象，一些较大物体的反射和折射占有主要不可控因素。在无线传输环境中，将RIS超表面部署在各类目标物体的表面，成为突破传统无线信道不可控性的重要方案，构建智能可实时编程的无线环境，引入未来无线通信的新范式。RIS发展研发丰富了信道散射条件、增强无线通信系统的复用增益、实现信号传播方向的调控、增大接收信号强度和改善通信设备之间的传输性能。未来无线网络的覆盖增强和容量的提升、消除局域覆盖空洞、虚拟视距链路、解决各地区同频干扰等都可以使用RIS技术解决。此外，RIS还具有电磁波的吸收、反射、透射和散射等能力，可以根据实际所需无线功能对无线信号实时可调，降低通信期间通信网络可能出现的安全问题、减小电磁污染，甚至还可以实现基带信息直接调制射频载波，构建新体制阵列式发射机架构。然而现如今的一些超表面大多是静态双极化，可调单极化，无法调制双极化相位，这很大程度限制了超表面的多功能性以及在超快切换、扫描系统和多任务信息处理中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，通过控制变容管的两侧电压值可以在x、y轴两个方向上实现独立的3比特（bit）调相。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，包括：多个3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元；
所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元为四层结构；
第一层包含4个关于中心对称的Y形金属贴片和扇形金属贴片，一个所述Y形金属贴片和一个所述扇形金属贴片之间使用变容管相连接；所述变容管两两对应且在同一条直线上，以所述第一层的中心为原点，将每对所述变容管的连接方向设定为直角坐标系，其中，以平行于所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元的边的连接方向作为x轴，以垂直于所述x轴的连接方向作为y轴；
第二层为沿x轴方向的馈电层；第三层为沿y轴方向的馈电层；第四层为金属接地层；
每个所述扇形金属贴片的中心通过金属过孔贯穿所述沿x轴方向的馈电层、所述沿y轴方向的馈电层以及所述金属接地层；
通过改变正交极化方向上所述变容管的两侧电压值，使得所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元在两个正交极化方向上独立实现双极化3比特相位调制，进而在正交极化方向上实现解耦。
可选的，所述Y形金属贴片分布于第一层边缘位置，所述扇形金属贴片分布于所述第一层中心位置；
所述Y形金属贴片的上半部分为沿所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元的对角线分割形成的外八边形金属贴片，所述Y形金属贴片的下半部分为矩形金属贴片；
所述扇形金属贴片为切割正交方向上的四个角和沿所述对角线分割形成的内八边形；
内外嵌套的八边形金属图案结构为电可调编码单元。
可选的，x轴方向和y轴方向上加载的每对变容管通过两路直流偏压控制3比特调相，以分别独立控制所述电可调编码单元在x极化和y极化垂直入射电磁波照射下的3比特调相所需的反射相位差，分别映射为数字态0至7八个数字；
每个所述电可调编码单元在频点处都具有四种数字态0/0、0/1、1/0和1/1，其中，斜杠前表示所述电可调编码单元在x极化入射波照射下的数字态，斜杠后表示所述电可调编码单元在y极化入射波照射下的数字态。
可选的，所述沿x轴方向的馈电层为沿x轴方向的八边形金属馈电层，八边形金属中的四条边与坐标轴平行；
在所述第二层中，沿x轴方向和y轴方向各有一对长度不同的矩形金属偏压线；沿x轴方向的矩形金属偏压线调控x轴方向上变容管的容值，以完成对x极化电磁波反射相位的独立控制；
沿y轴方向的矩形金属偏压线减弱偏置网络的不对称性。
可选的，所述沿y轴方向的馈电层为沿y轴方向的八边形金属馈电层，八边形金属中的四条边与坐标轴平行；
在所述第三层中，沿x轴方向和y轴方向各有一对长度不同的矩形金属偏压线；沿y轴方向的矩形金属偏压线调控y轴方向上变容管的容值，以完成对y极化电磁波反射相位的独立控制；
沿x轴方向的矩形金属偏压线减弱偏置网络的不对称性。
可选的，所述第四层为方形金属接地层，方形金属的四条边与所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面的边长相同。
可选的，4个所述金属过孔位于所述直角坐标系上；
其中，x轴方向上的所述金属过孔与所述沿x轴方向的八边形金属馈电层相连接，但不与所述沿y轴方向的八边形金属馈电层相连接；
y轴方向上的所述金属过孔与所述沿y轴方向的八边形金属馈电层相连接，但不与所述沿x轴方向的八边形金属馈电层相连接。
可选的，所述第一层以及所述第三层的介质层采用相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001的聚四氟乙烯。
可选的，所述第二层的介质层采用相对介电常数为3.7，损耗角正切为0.004的介质基板。
可选的，所述金属接地层以及所述金属过孔的材质为金属铜。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，包括多个3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元，每个3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元上分别沿x、y轴两个方向上集成了一对变容管，通过控制变容管的两侧电压值可以在x、y轴两个方向上实现独立的3比特调相。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元结构示意图；
图2为本发明所提供的第一层结构示意图；
图3为本发明所提供的第二层结构示意图；
图4为本发明所提供的第三层结构示意图；
图5为本发明所提供的第四层结构示意图；
图6为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元结构侧视图；
图7为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元沿x轴极化方向频率为4GHz时的表面电流图；
图8为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元沿y轴极化方向频率为4GHz时的表面电流图；
图9为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元的交叉极化幅度图；
图10为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元分别在x、y轴极化下的2种编码状态的反射波幅度图；
图11为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元分别在x、y轴极化下的2种编码状态的反射波相位图；
图12为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元斜入射下状态的反射波幅度图；
图13为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元斜入射下状态的反射波相位图；
图14为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元斜入射下8种状态的反射波精确相位值图；
图15为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面的实际结构示意图；
图16为本发明所提供的在x极化电磁波激励下，双极化可重构智能超表面具有不同的编码序列时二维远场仿真波束图；
图17为本发明所提供的在y极化电磁波激励下，双极化可重构智能超表面具有不同的编码序列时二维远场仿真波束图；
图18为本发明所提供的在x极化电磁波激励下，双极化可重构智能超表面具有不同的编码序列时三维远场仿真波束图；
图19为本发明所提供的在y极化电磁波激励下，双极化可重构智能超表面具有不同的编码序列时三维远场仿真波束图；
图20为本发明所提供的在左旋圆极化电磁波激励下，双极化可重构智能超表面具有不同的编码序列时三维远场仿真波束图；
图21为本发明所提供的可重构智能超表面单元组阵后在x轴方向上31.4°斜入射时0°出射的二维远场仿真波束图；
图22为本发明所提供的由Matlab计算得到拓扑荷L为2的相位分布图；
图23为本发明所提供的由Matlab计算得到拓扑荷L为4的相位分布图；
图24为本发明所提供的在x极化电磁波激励下，拓扑荷L为2二维涡旋电场强度辐射图；
图25为本发明所提供的在y极化电磁波激励下，拓扑荷L为4的二维涡旋电场强度辐射图；
图26为本发明所提供的在x极化和y极化电磁波激励下，拓扑荷L为2和4的二维涡旋远场散射图；
图27为本发明所提供的在x极化电磁波激励下，拓扑荷L为2的二维涡旋电场相位分布图；
图28为本发明所提供的在y极化电磁波激励下，拓扑荷L为4的二维涡旋电场相位分布图。
具体实施方式
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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，能够调制双极化相位。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，包括：多个3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元，图1为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元结构示意图，如图1所示，所提出的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元从上至下有四层结构，第一层1为介质层，第二层2为沿x轴方向的馈电层，第三层3为沿y轴方向的馈电层，各层之间使用金属通孔连接，每层单元均为方形结构，长度设为p；图2为本发明所提供的第一层结构示意图，如图2所示，第一层1包含4个关于中心对称的Y形金属贴片1-1和扇形金属贴片1-2，一个所述Y形金属贴片1-1和一个所述扇形金属贴片1-2之间使用变容管1-3相连接；所述变容管1-3两两对应且在同一条直线上，以所述第一层1的中心为原点，将每对所述变容管1-3的连接方向设定为直角坐标系，其中，以平行于所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元的边的连接方向作为x轴，以垂直于所述x轴的连接方向作为y轴；第二层2为沿x轴方向的馈电层；第三层3为沿y轴方向的馈电层；第四层4为金属接地层；每个所述扇形金属贴片1-2的中心通过金属过孔贯穿所述沿x轴方向的馈电层、所述沿y轴方向的馈电层以及所述金属接地层；通过改变正交极化方向上所述变容管1-3的两侧电压值，使得所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元在两个正交极化方向上独立实现双极化3比特相位调制，进而在正交极化方向上实现解耦。
其中，所述第一层1设有4个金属过孔，所述第二层2在x轴方向上的两个金属过孔为小孔，y轴方向上的两个金属过孔为大孔，所述第三层3在y轴方向上的两个金属过孔为大孔，x轴方向上的两个金属过孔为小孔，所述第四层4设有4个金属过孔为大孔。
在实际应用中，所述Y形金属贴片1-1分布于第一层1边缘位置，所述扇形金属贴片1-2分布于所述第一层1中心位置；所述Y形金属贴片1-1的上半部分为沿所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元的对角线分割形成的外八边形金属贴片，所述Y形金属贴片1-1的下半部分为矩形金属贴片；所述扇形金属贴片1-2为切割正交方向上的四个角和沿所述对角线分割形成的内八边形；内外嵌套的八边形金属图案结构为电可调编码单元。
第一层1的图案层包括四个扇形金属贴片1-2和四个Y形金属贴片1-1，关于坐标轴两两对称，内八边形半径为r1，外八边形的内半径为r2，外八边形的外半径为r3，对角线的宽度为t2，内外八边形间距l1即连接变容管1-3的长度，共需四个变容管1-3。矩形金属贴片的宽为l2，其与单元边长间隙距离为t3。
第一层1的介质层，相对介电常数为
＝2.65，采用损耗角正切tanδ＝0.001的聚四氟乙烯F4B。介质层的边长为p。
第一层还包含四个半径为r6的圆形金属通孔，位于四个扇形金属贴片1-2中心处。x轴方向上的一对圆形金属通孔与第二层2相连接，y轴方向上的一对圆形金属通孔与第三层3相连接。第一层1的x轴方向的一对金属过孔通过第二层2上的小孔与第二层2的x轴方向八边形金属馈电层相连，第一层1的y轴方向的一对金属过孔通过第二层2上的大孔与第三层3的y轴方向八边形金属馈电层相连；第一层1的x轴方向的一对金属过孔通过第三层3上的大孔不与第三层3的x轴方向八边形金属馈电层相连，第一层1的y轴方向的一对金属过孔通过第三层3上的小孔与第三层3的y轴方向八边形金属馈电层相连；第一层1的x轴和y轴方向上的每对金属过孔均不与第四层4的正方形金属接地层相连。
在实际应用中，x轴方向和y轴方向上加载的每对变容管1-3通过两路直流偏压控制3比特调相，以分别独立控制所述电可调编码单元在x极化和y极化垂直入射电磁波照射下的3比特调相所需的反射相位差，分别映射为数字态0至7八个数字；每个所述电可调编码单元在频点处都具有四种数字态0/0、0/1、1/0和1/1，其中，斜杠前表示所述电可调编码单元在x极化入射波照射下的数字态，斜杠后表示所述电可调编码单元在y极化入射波照射下的数字态。
在实际应用中，图3为本发明所提供的第二层结构示意图，如图3所示，所述沿x轴方向的馈电层为沿x轴方向的八边形金属馈电层，八边形金属中的四条边与坐标轴平行；在所述第二层2中，沿x轴方向和y轴方向各有一对长度不同的矩形金属偏压线；沿x轴方向的矩形金属偏压线调控x轴方向上变容管1-3的容值，以完成对x极化电磁波反射相位的独立控制；沿y轴方向的矩形金属偏压线减弱偏置网络的不对称性。
第二层2为沿x轴方向的馈电层，其边长为p，包含两个半径为r5的圆形，主要目的是为了隔离y轴方向的馈电层。
位于x轴方向的圆形金属通孔与第二层2相连接，位于y轴方向的圆形金属通孔以非接触方式穿过，不与第二层2相连接。其馈电层图案采用八边形，半径为r4。
沿x和y轴方向各有一对长度不同的矩形金属偏压线，x轴方向的偏压线可以调控x轴方向变容管1-3的容值，宽度为l3，进而完成对x极化电磁波反射相位的独立控制。第二层2的y轴方向的偏压线是为了减弱偏置网络的不对称性，其主要是由偏压线x和y分别位于不同馈电层，进而在不同极化波入射下，两种谐振电流的路径不同引起，其与单元边长间隙距离为t3。第二层2可采用相对介电常数为
＝3.7，损耗角正切tanδ＝0.004的介质基板。
在实际应用中，图4为本发明所提供的第三层结构示意图，如图4所示，所述沿y轴方向的馈电层为沿y轴方向的八边形金属馈电层，八边形金属中的四条边与坐标轴平行；在所述第三层3中，沿x轴方向和y轴方向各有一对长度不同的矩形金属偏压线；沿y轴方向的矩形金属偏压线调控y轴方向上变容管1-3的容值，以完成对y极化电磁波反射相位的独立控制；沿x轴方向的矩形金属偏压线减弱偏置网络的不对称性。
第三层3为沿y轴方向的馈电层，其边长为p，包含两个半径为r5的圆形，主要目的是为了隔离x轴方向的馈电层。位于y轴方向的圆形金属通孔与第三层3相连接，位于x轴方向的圆形金属通孔以非接触方式穿过，不与第三层3相连接。其馈电层图案采用八边形，半径为r4。沿x和y轴方向各有一对长度不同的矩形金属偏压线，y轴方向的偏压线可以调控y轴方向变容管1-3的容值，宽度为l3，进而完成对y极化电磁波反射相位的独立控制。第三层3的x轴方向的偏压线是为了减弱偏置网络的不对称性，其主要是由偏压线x和y分别位于不同馈电层，进而在不同极化波入射下，两种谐振电流的路径不同引起，其与单元边长间隙距离为t3。第三层3可采用相对介电常数为
＝2.6，损耗角正切tanδ＝0.001的聚四氟乙烯F4B。
在实际应用中，图5为本发明所提供的第四层结构示意图，如图5所示，所述第四层4为方形金属接地层，方形金属的四条边与所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面的边长相同。
第四层4为金属接地层，其边长为p，中心处为贯穿第一层1到第四层4的圆形金属通孔，半径为r6。
图6为本发明所提供的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元结构侧视图，介质层的厚度分别为h1、h2和h3，金属贴片的厚度为t1。
通过各类变容管1-3仿真实验，最终变容管1-3型号选定为SMV1405；变容管1-3两侧施加0~30v的电压时，其等效RLC模型为0.36Ω的电阻、0.7nH的电感、从1.74pF变化至0.58pF的电容值的电容串联，双极化独立可调单元实现极化间的解耦，且单元独立地在两个极化方向上分别进行相位调控。当变容管1-3的容值连续改变时，该双极化独立可调单元具有8个相位间隔约45°的相位编码状态，对应数字态0~7，进而实现3bit相位编码。
所述第一层1包括四个关于中心对称的Y形金属贴片1-1和扇形金属贴片1-2，每个Y形金属贴片1-1和扇形金属贴片1-2间使用变容管1-3相连接；Y形金属贴片1-1分布于第一层1边缘位置，扇形金属贴片1-2分布于第一层1中心位置；Y形金属贴片1-1上半部分是由外八边形金属贴片沿对角线分割形成，Y形金属贴片1-1下半部分是由矩形金属贴片形成，扇形金属贴片1-2是由内八边形切割正交方向上的四个角和沿对角线分割形成；该RIS单元在斜入射时幅度仅仅发生微小的变化，相位差在中心频点处依然相差约45°，很大程度改善了RIS单元在x、y极化斜入射下的角度稳定性。
图1到图6中，本发明的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元为对入射角不敏感的Sub-6G-3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元，各结构参数最终的优化值由表1确定。
表1 结构参数表
所设计单元中的变容管1-3的容值，可通过改变处于坐标轴上的馈电电压产生连续的容值变化，进而分别调控x轴和y轴方向上等效谐振腔的谐振频率。本发明超表面单元的等效电抗是由变容管1-3特性决定，通过各类变容管1-3仿真实验，最终变容管1-3型号选定为SMV1405，SMV1405由Skyworks公司生产，具有低串联电阻、高Q值、低相位噪声等优点。
本发明所设计的双极化3bit相位独立可调RIS单元，克服了极化间的解耦这一技术难点，即当x极化方向上的第一对变容管1-3容值改变时，不影响y极化方向上的反射波幅度相位，反之成立。
为了更清晰阐述上述观点，本发明使用CST电磁仿真软件分别对x极化和y极化的工作模式进行全波仿真。通过分析如图7、图8的表面电流图可得，对于x轴方向极化分布的电场，其表面电流大部分集中在x轴方向的变容管1-3两侧的金属贴片上，而与之相互正交的y轴方向上的变容管1-3两侧几乎没有表面电流。同理当电场沿y轴方向极化分布时得到图7所示的表面电流分布图，该结论与上述表述类似。因此证实变容管1-3在x和y轴方向上是解耦的，即x极化方向上的电磁波对y极化上的一对变容管1-3无影响，反之亦然。从图9中的交叉极化幅度图中可以看出，所提出的单元交叉极化小于-50dB，进而能够在x极化和y极化方向上对单元进行独立相位调控。
为了进一步研究所设计单元对入射角的不敏感特性，利用CST全波仿真软件对RIS单元结构的具体性能进行仿真。图10和图11分别是本发明的Sub-6G-3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元在x、y轴极化下入射角为0°的8种编码状态的反射波幅度图和反射波相位图。频点为4GHz时，从图10和图11中可见，x和y极化下的反射波的幅值和相位基本相同，且每种状态的幅值均大于-2dB，所需的315°相位编码也被满足。如表2所示，列出了3bit编码状态中变容管1-3的等效参数。
表2 3bit编码状态中变容管的等效参数表
以状态3为例，图12和图13分别是本发明的Sub-6G-3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元在x、y轴极化下入射角分别为0°和30°的编码状态的反射波幅度图和反射波相位图。为了进一步研究验证所设计单元对入射角的不敏感特性及变容管1-3容值的特殊性，以15°为间隔，对x、y斜入射时单元在4GHz的8个相位编码状态下的反射波幅度和相位进行进一步精细仿真，结果如图14所示。从图14中可以发现，在频点4GHz时，斜入射30°时的编码状态反射波的幅度均大于-2dB，与正入射时相比相位偏差值基本在22.5°以内，满足所设计3bit调相所要求的误差范围。
图15为本发明所提供的由Sub-6G-3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元构造的示意图，通过控制在x和y两个正交方向上变容管1-3的状态，可以实现圆极化波自旋控制的异或逻辑运算、构建定频大角度双波束扫描天线、双极化口径共享天线和实现双极化独立可编程超表面涡旋波束天线等。为了验证所设计单元的性能，构建了两块分别命名M1和M2的双极化独立可调单元组成的波束控制RIS，M1由24*24个双极化独立可调单元组成，总体尺寸规格为288mm*288mm，M2由36*36个双极化独立可调单元组成，总体尺寸规格为432mm*432mm。在x极化入射下其对应M1的编码序列S1为“111155551111555511115555”，反射角可根据公式（1）广义斯涅耳定律计算，得到在4GHz频点处的反射角为±51.4°。在y极化入射下其对应M1的编码序列S2为“000000444444000000444444”，由公式（1）计算得到在4GHz频点处的反射角为±31.4°。
在公式（1）中，l代表自由空间中的波长（在4GHz为75mm），G代表一个周期内梯度相位分布的几何长度。如图16-图19所示，在正交的x极化波和y极化波入射下，双波束扫描系统在4GHz下测得两个对称的波束指向±51.4°、±31.4°。其中波束指向与理论值的偏差基本在2°以内。仿真结果与理论预测基本一致。如图20所示，当在LCP入射下，使用编码序列[S1 S2]对该RIS进行编码时，仿真将得到四个明显的笔形光束，其中两个x极化波束（y-z平面中的同极化），指向±51.4°，两个y极化波束（x-z平面中的同极化）指向±31.4°。同时为了验证RIS在斜入射下的角度稳定性，依然选择其相位编码0°入射31.4°出射的相位编码。如图21所示的RIS M1组阵后，在x轴方向上，令入射波以31.4°的入射角照在RIS M1上，后0°出射的二维远场仿真波束图。由图21中可看出反射波近似垂直出射，从而说明所设计RIS在斜入射时依然保持与垂直入射时相同的相位梯度，即证实RIS对入射角不敏感特性。
为了实现双极化独立可编程超表面涡旋波束天线，汇聚形涡旋波束阵列上每个单元的补偿相位j，在理论上可由如下公式计算：
其中，l是自由空间中的波长，L是涡旋波束的拓扑荷，可取任意整数，F是焦距，即馈源到阵列中心的距离，设置为0.8*D，D是编码阵列单边的物理长度，（x，y）是编码阵列对应的位置坐标。然后还需进一步结合所设计的RIS单元对公式（2）进行模糊相位近似，合理划分相位区间。可由如下公式计算：
在公式（3）中，将整个区间等间距划分为8个区间，对应于3比特编码单元在x或y极化下的8种编码状态。
和
分别对应i th 单元上的近似相位和精确相位。图22为本发明所提供的由Matlab计算得到拓扑荷L为2的相位分布图；图23为本发明所提供的由Matlab计算得到拓扑荷L为4的相位分布图。
对提出的双极化独立可编程超表面涡旋波束天线进行仿真验证，首先采用传统的喇叭作为馈源在CST中进行仿真验证。馈源喇叭的相位中心距离超表面中心距离z=345.6mm。在仿真中，x和y轴方向采用开放辐射边界条件，z方向应用开放和添加空间边界条件。图24和图25分别显示了在x极化波和y极化波入射时携带拓扑荷L为2和4的二维涡旋电场强度辐射。其中，清晰的甜甜圈能量环代表涡旋波束的产生，且随着拓扑荷的增加能量环的半径是逐渐变大的。图26给出的二维涡旋远场散射图进一步验证了这一观点。图27和图28中拓扑荷L分别为2和4阶的涡旋电场相位分布也验证了双极化独立可编程超表面涡旋波束的产生。
（1）本发明每个单元上分别沿x、y轴两个方向上集成了一对变容管，通过控制变容管的两侧电压值可以在x、y轴两个方向上实现独立的3bit调相。
（2）本发明通过优化单元结构和引入低损耗的变容管，可使其在该频点处满足3bit所需相位差的同时保持较高的能量效率。
（3）本发明通过缩小单元电尺寸以及在x极化馈电层和y极化馈电层引入对称的偏压馈线，减弱了偏置网络的不对称性，可以在x、y极化电磁波垂直入射下保持稳定的相位响应。
（4）本发明所提出的工作在微波段的3bit双极化可重构智能超表面，与传统可调的反射阵天线相比，具有在x极化和y极化电磁波照射下拥有灵活实时调控不同功能的特点，3bit的设计极大地增加了其对电磁波操控的精细程度和设计的自由度，扩展了其应用前景。
（5）本发明巧妙的设计一种内外嵌套的八边形金属图案结构的电可调编码单元。此结构在x极化和y极化电磁波照射下具有独立的相位响应，且其在x极化和y极化电磁波斜入射下依然能保持所需稳定的相位差和较高的反射幅度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，其特征在于，包括：多个3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元；
所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元为四层结构；
第一层包含4个关于中心对称的Y形金属贴片和扇形金属贴片，一个所述Y形金属贴片和一个所述扇形金属贴片之间使用变容管相连接；所述变容管两两对应且在同一条直线上，以所述第一层的中心为原点，将每对所述变容管的连接方向设定为直角坐标系，其中，以平行于所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元的边的连接方向作为x轴，以垂直于所述x轴的连接方向作为y轴；
第二层为沿x轴方向的馈电层；第三层为沿y轴方向的馈电层；第四层为金属接地层；所述沿x轴方向的馈电层为沿x轴方向的八边形金属馈电层，八边形金属中的四条边与坐标轴平行；在所述第二层中，沿x轴方向和y轴方向各有一对长度不同的矩形金属偏压线；沿x轴方向的矩形金属偏压线调控x轴方向上变容管的容值，以完成对x极化电磁波反射相位的独立控制；沿y轴方向的矩形金属偏压线减弱偏置网络的不对称性；所述沿y轴方向的馈电层为沿y轴方向的八边形金属馈电层，八边形金属中的四条边与坐标轴平行；在所述第三层中，沿x轴方向和y轴方向各有一对长度不同的矩形金属偏压线；沿y轴方向的矩形金属偏压线调控y轴方向上变容管的容值，以完成对y极化电磁波反射相位的独立控制；沿x轴方向的矩形金属偏压线减弱偏置网络的不对称性；
每个所述扇形金属贴片的中心通过金属过孔贯穿所述沿x轴方向的馈电层、所述沿y轴方向的馈电层以及所述金属接地层；
通过改变正交极化方向上所述变容管的两侧电压值，使得所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元在两个正交极化方向上独立实现双极化3比特相位调制，进而在正交极化方向上实现解耦。
2.根据权利要求1所述的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，其特征在于，所述Y形金属贴片分布于第一层边缘位置，所述扇形金属贴片分布于所述第一层中心位置；
所述Y形金属贴片的上半部分为沿所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面单元的对角线分割形成的外八边形金属贴片，所述Y形金属贴片的下半部分为矩形金属贴片；
所述扇形金属贴片为切割正交方向上的四个角和沿所述对角线分割形成的内八边形；
内外嵌套的八边形金属图案结构为电可调编码单元。
3.根据权利要求2所述的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，其特征在于，x轴方向和y轴方向上加载的每对变容管通过两路直流偏压控制3比特调相，以分别独立控制所述电可调编码单元在x极化和y极化垂直入射电磁波照射下的3比特调相所需的反射相位差，分别映射为数字态0至7八个数字；
每个所述电可调编码单元在频点处都具有四种数字态0/0、0/1、1/0和1/1，其中，斜杠前表示所述电可调编码单元在x极化入射波照射下的数字态，斜杠后表示所述电可调编码单元在y极化入射波照射下的数字态。
4.根据权利要求1所述的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，其特征在于，所述第四层为方形金属接地层，方形金属的四条边与所述3bit双极化相位可调的可重构智能超表面的边长相同。
5.根据权利要求4所述的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，其特征在于，4个所述金属过孔位于所述直角坐标系上；
其中，x轴方向上的所述金属过孔与所述沿x轴方向的八边形金属馈电层相连接，但不与所述沿y轴方向的八边形金属馈电层相连接；
y轴方向上的所述金属过孔与所述沿y轴方向的八边形金属馈电层相连接，但不与所述沿x轴方向的八边形金属馈电层相连接。
6.根据权利要求5所述的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，其特征在于，所述第一层以及所述第三层的介质层采用相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001的聚四氟乙烯。
7.根据权利要求5所述的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，其特征在于，所述第二层的介质层采用相对介电常数为3.7，损耗角正切为0.004的介质基板。
8.根据权利要求5所述的3bit双极化相位可调的可重构智能超表面，其特征在于，所述金属接地层以及所述金属过孔的材质为金属铜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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