反射型双极化1bit编码器件、方法以及系统

1.本技术涉及毫米波通信的技术领域，尤其涉及反射型双极化1bit编码器件、方法以及系统。


背景技术：

2.近年来，超材料因其强大的操纵电磁波的能力而备受关注，已广泛应用于现代通信系统中。超表面已显示出其在改善各种电磁设备性能方面的潜力，包括反射阵列天线、频率选择表面、吸波器件等。然而这些超表面在制备完成之后，其功能通常无法改变。因此，在超表面中集成有源元器件，例如pin管，mems，变容二极管等，可以通过改变有源器件的状态，来改变超表面的功能。可重构编码超表面可以实现对空间域和频域的电磁波进行重新配置，通过加载有源器件可以实现波束扫描或者双极化下的波束赋性。由于可重构超表面通常具有离散的相位响应的特性，崔铁军等人提出了数字化编码超表面的概念，具有相位0和π的相位响应可分别视为编码“0”和“1”，重新调整阵列上单元的编码相位，可以获得所需的散射函数。由于有源器件本身具有较窄的谐振带宽，所以提出的这种超表面也具有窄带宽。
3.随着6g通信技术的发展，已经开发了通过ris(reconfigurable intelligent surfaces)实现的无线通信系统，可在城市通信中提供低成本、高增益的无线通信传输。然而，目前大多数的ris仅工作在x极化或者y极化方向，但在复杂的通信环境中，这种工作方式引起的衰减很大。
4.随着通信环境复杂度的增加，在毫米波通信领域，急需一种能同时工作在x极化和y极化方向、加工简单、效率高的双极化编码器件。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供反射型双极化1bit编码器件、方法以及系统，能够可以实现毫米波频段同时工作在x极化方向和y极化方向，并具有加工简单，效率高等优点。
6.第一方面，本技术提供一种反射型双极化1bit编码器件，包括：
7.x方向馈电层；
8.y方向馈电层；
9.金属地层；
10.基板；
11.设置于基板上且周期性排列的n
×
n个结构单元组成的二维阵列；
12.所述结构单元包括一中心金属贴片，和由近至远依次包围中心金属贴片的电容、外围金属贴片、电感和金属过孔，所述中心金属贴片、电容、外围金属贴片、电感和金属过孔依次电导通；
13.所述中心金属贴片的中心界定为一xy坐标系的原点，所述xy坐标系的x轴界定x方向馈电层的x方向，所述xy坐标系的y轴界定y方向馈电层的y方向。
14.可选地，每个结构单元的所述电容、外围金属贴片、电感和金属过孔各有四个，其分别围绕中心金属贴片的中心以90
°
间隔角呈环形排布。
15.可选地，所述中心金属贴片的形状为中心去角的正方形。
16.可选地，所述外围金属贴片在指向中心金属贴片的方向上呈倒置梯形。
17.可选地，所述金属地层为一镂空金属层，与所述金属过孔贯通。
18.可选地，所述基板为f4b衬底厚度为0.1～5毫米；
19.优选地，所述金属地层厚度为0.1～5毫米。
20.可选地，所述x方向馈电层为fr4材质厚度为0.1～5毫米；
21.优选地，所述y方向馈电层为fr4材质厚度为0.1～5毫米。
22.可选地，所述中心金属贴片的边长为15～20毫米，去角边长为0.5～3毫米；
23.优选地，所述外围金属贴片的上底为10～17毫米，下底为8～15毫米。
24.第二方面，本技术提供一种如上述的反射型双极化1bit编码器件进行编码的方法，该方法包括：
25.控制x方向馈电层与y方向馈电层的电压大小；
26.当x方向馈电层电压为3v时，y方向馈电层电压为0v时，所述器件工作在x极化方向下，编码为“0”；
27.当x方向馈电层电压为9v时，y方向馈电层电压为0v时，所述器件工作在x极化方向下，编码为“1”；
28.当x方向馈电层电压为0v时，y方向馈电层电压为3v时，所述器件工作在y极化方向下，编码为“0”；
29.当x方向馈电层电压为0v时，y方向馈电层电压为9v时，所述器件工作在y极化方向下，编码为“1”。
30.第三方面，本技术提供一种反射型双极化1bit编码系统，该编码系统包括：
31.如上述的反射型双极化1bit编码器件、入射喇叭、接收喇叭、控制电源；
32.所述入射喇叭发射电磁波照射到受电源控制的所述编码器件表面，反射到接收喇叭，经过所述编码器件反射的电磁波即完成了编码；
33.当x方向馈电层电压为3v时，y方向馈电层电压为0v时，所述器件工作在x极化方向下，编码为“0”；
34.当x方向馈电层电压为9v时，y方向馈电层电压为0v时，所述器件工作在x极化方向下，编码为“1”；
35.当x方向馈电层电压为0v时，y方向馈电层电压为3v时，所述器件工作在y极化方向下，编码为“0”；
36.当x方向馈电层电压为0v时，y方向馈电层电压为9v时，所述器件工作在y极化方向下，编码为“1”。
37.如上所述，本技术反射型双极化1bit编码器件、方法及系统，具有以下有益效果：
38.本技术提出了适用于毫米波领域复杂通信环境的编码器件，很好的满足了目前毫米波频段多极化通信场景的需求，因为变容二极管有一定的响应时间，所以理论编码速度可以达到变容二极管的响应时间。
39.本技术采用加载金属地层的方式，可以有效提高反射效率，极大程度上使入射电
磁波的能量反射出去，降低通信系统的损耗。
附图说明
40.下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
41.图1为本技术一实施例中一种反射型双极化的编码器件的结构单元的示意图；
42.图2为本技术一实施例中一种反射型双极化的编码器件的左视图；
43.图3为本技术一实施例中一种反射型双极化的编码器件的前视图；
44.图4为本技术一实施例中x方向偏置电压为3v时，结构对x极化波响应，编码为“0”；
45.图5为本技术一实施例中x方向偏置电压为9v时，结构对x极化波响应，编码为“1”；
46.图6为本技术一实施例中y方向偏置电压为3v时，结构对y极化波响应，编码为“0”；
47.图7为本技术一实施例中y方向偏置电压为9v时，结构对y极化波响应，编码为“1”；
48.图8为本技术一实例中在不同编码下的幅度响应示意图。
49.图9为本技术一实例中在不同编码下的相位响应示意图。
50.图10为本技术一实例中编码系统的示意图。
51.其中，图中元件标识如下：
52.11-x方向馈电层；12-y方向馈电层；13-金属地层；14-基板；1-中心金属贴片；2-外围金属贴片；3-电感；4-金属过孔；21,22-馈源喇叭；23,24-接受喇叭。
具体实施方式
53.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
54.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
55.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
56.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
57.在介绍本技术的技术方案之前，有必要阐述下本技术的发明创造的创立背景。
58.已为普遍存在的是，相关技术中，目前大多数的ris仅工作在x极化或者y极化方向，但在复杂的通信环境中，这种工作方式引起的衰减很大。
59.基于发明人意识上述难题，本发明人考虑到现代通信场景的需求，目前的5g信号以及sub6ghz信号的主要工作频带处于c波段，因此设计此款工作于毫米波的超表面。通过工作波长可以计算出超表面的周期处于20～40mm范围内。由于现代通信场景的复杂，且大部分超表面仅工作在单一极化波下，因此在x，y方向均搭载变容二极管，使其在x，y方向均有相同的响应。结构选择制备简单且成本较低的贴片形式，根据等效电路理论，将变容二极管等效为不同电压下的电容、电阻和电感3的串联，进而设计贴片的大小。由于引入有源器件变容二极管会增加插入损耗，因此引入扼流电感3和反射地面，减少损耗，提高反射幅度。由于处于超表面阵列中，单元有x,y方向独立控制的要求，因此特别设计馈电层。将馈电层分为x方向馈电层11和y方向馈电层12，其材料选择为fr4，价格较低。x，y方向分别使用过孔铜柱接入馈电层，通过对阵列上不同单元x与y方向的变容二极管提供反偏电压，使反射相位达到180
°
相差，构建多比特双极化反射超表面。基于此，创立了本发明创造。
60.本技术实施例提供一种反射型双极化1bit编码器件，如图1-3所示，该编码器件包括：
61.x方向馈电层11；
62.y方向馈电层12；
63.金属地层13；
64.基板14；
65.设置于基板14上且周期性排列的n
×
n个结构单元组成的二维阵列；
66.每一结构单元包括一中心金属贴片1，和由近至远依次包围上述中心金属贴片1的电容、外围金属贴片2、电感3和金属过孔4，上述中心金属贴片1、电容、外围金属贴片2、电感3和金属过孔4依次电导通；
67.上述中心金属贴片1的中心界定为一xy坐标系的原点，上述xy坐标系的x轴界定x方向馈电层11的x方向，上述xy坐标系的y轴界定y方向馈电层12的y方向。
68.作为一种可示范地方式，所述坐标系的x轴和y轴将所述金属层分割为大小相等的四个方形区域。
69.在一些实施例中，每个结构单元的电容、外围金属贴片2、电感3和金属过孔4各有四个，其分别围绕中心金属贴片1的中心以90
°
间隔角呈环形排布。
70.为了更清晰地说明结构单元，以电容、外围金属贴片2、电感3和金属过孔4的数量各为四，且分别冠以“第一”、“第二”、“第三”和“第四”以区分指代。
71.结构单元包括第一中心金属贴片1、第一外围金属贴片2、第二外围金属贴片2、第三外围金属贴片2、第四外围金属贴片2、第一电感3、第二电感3、第三电感3、第四电感3、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一金属过孔4、第二金属过孔4、第三金属过孔4、第四金属过孔4。
72.所述第一中心金属贴片1中心位于所述xy坐标系原点且在每一象限的角平分线处有一正方形缺口，所述第一中心金属贴片1为一对称结构，其对称轴为xy坐标系的x轴和y轴；
73.所述第一外围金属贴片2位于所述第一中心金属贴片1的正上方，其上底的长度与所述第一中心去角方形金属贴片的边长相同，下底的长度与所述第一中心去角方形金属贴片去角之后的边长相同。所述第一外围金属贴片2为一对称结构，其对称轴为xy坐标系的y轴；
74.所述第一电容位于所述第一中心金属贴片1与所述第一外围金属贴片2之间；
75.所述第一金属过孔4位于所述第一外围金属贴片2正上方。所述第一金属过孔4为一圆形结构；
76.所述第一电感3位于所述第一外围金属贴片2与所述第一金属过孔4之间；
77.所述第二外围金属贴片2由第一外围金属贴片2顺时针旋转90
°
形成，所述第三外围金属贴片2由第二外围金属贴片2顺时针旋转90
°
形成，所述第四外围金属贴片2由第三外围金属贴片2顺时针旋转90
°
形成。所述第二电容由第一电容顺时针旋转90
°
形成，所述第三电容由第二电容顺时针旋转90
°
形成，所述第四电容由第三电容顺时针旋转90
°
形成。所述第二电感3由第一电感3顺时针旋转90
°
形成，所述第三电感3由第二电感3顺时针旋转90
°
形成，所述第四电感3由第三电感3顺时针旋转90
°
形成。所述第二金属过孔4由第一金属过孔4顺时针旋转90
°
形成，所述第三金属过孔4由第二金属过孔4顺时针旋转90
°
形成，所述第四金属过孔4由第三金属过孔4顺时针旋转90
°
形成。
78.作为中心金属贴片1形状的一种可示范地实现方式，中心金属贴片1的形状为中心去角的正方形。
79.作为外围金属贴片2形状的一种可示范地实现方式，外围金属贴片2的形状为在指向中心金属贴片1的方向上呈倒置梯形。
80.在一些实施例中，金属地层13为一镂空金属层，与所述金属过孔4贯通。
81.在一些实施例中，所述基板14为f4b衬底厚度为0.1～5毫米。
82.在一些实施例中，所述金属地层13厚度为0.1～5毫米。金属层的材料包括但不限于铝、金、银、铜等其中的一种，特点是导电性能好，相对稳定不易氧化。
83.在一些实施例中，所述x方向馈电层11为fr4材质厚度为0.1～5毫米。
84.在一些实施例中，所述y方向馈电层12为fr4材质厚度为0.1～5毫米。
85.在一些实施例中，所述中心金属贴片1边长为15～20毫米，去角边长为0.5～3毫米。
86.在一些实施例中，所述外围金属贴片2上底为10～17毫米，下底为8～15毫米。
87.为实现上述目的及相关目的，本技术提供一种反射型双极化1bit编码器件进行编码的方法，该方法包括：
88.控制x方向馈电层11与y方向馈电层12的电压大小；
89.当x方向馈电层11电压为3v时，y方向馈电层12电压为0v时，所述器件工作在x极化方向下，编码为“0”；
90.当x方向馈电层11电压为9v时，y方向馈电层12电压为0v时，所述器件工作在x极化方向下，编码为“1”；
91.当x方向馈电层11电压为0v时，y方向馈电层12电压为3v时，所述器件工作在y极化方向下，编码为“0”；
92.当x方向馈电层11电压为0v时，y方向馈电层12电压为9v时，所述器件工作在y极化
方向下，编码为“1”；
93.所述的编码器件原理上是一种相位控制结构，编码器件在不同的反偏电压下对入射的电磁波有相位延迟或滞后，并对幅度也有一定的作用。这里，反射信号的相位差来表示两种状态，一种为初始状态、另一种超前180
°
或滞后180
°
表示另一种状态。本发明提出的结构相当于两个并行的相位控制结构，相互独立的对不同频率的电磁波进行控制，从而实现电磁波在两种极化下的编码功能。
94.于一实例中，本发明提出的微波相位调控方法采用设计的偏置电路控制，电压源分别通过x方向馈电层11和y方向馈电层12给x方向电容和y方向电容提供反偏电压。电容在不同的反偏电压下，可等效为不同的等效电路，从而改变单元结构的谐振点。在幅度没有较大差异的情况下，改变相位值，使相位延迟或超前180
°
，实现一个相位调控的功能。
95.本发明可以独立工作，如图10所示，电磁波通过馈源喇叭21,22分别从x方向和y方向照射到编码器件表面，同时改变馈电电路的反偏电压，可产生两种相位差为180
°
的反射波到接受喇叭23,24上。经过编码器件反射的电磁波即完成了编码。
96.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。