一种具有滤波功能的智能超表面及设计方法

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种具有滤波功能的智能超表面及设计方法。

背景技术：

1、随着无线通信技术的发展，低频段频谱信号逐渐枯竭，无线信号的工作频段逐渐向高频段发展。然而，高频段的电磁波遇障碍物衍射性能差，这导致高频无线信号的覆盖范围减小，智能超表面技术的提出为上述问题提供了一种可行的解决方案。

2、智能超表面(reconfigurable intelligent surface,ris)是由大量具有相位可调的可重构单元构成，其能够以较低的成本和功耗实现波束聚焦、扫描和散射。因此，智能超表面技术能够动态调节电磁波传播路径，改善无线通信信道环境。然而，在无线通信应用环境中，各种频段电磁信号分布密集，且相邻频段的电磁信号互为噪声干扰。因此，为了提高目标频带信号的传输信噪比，需要对相邻频带的电磁噪声进行滤波。直接在智能超表面上级联滤波器，会增加单元的损耗和占用空间，从而恶化智能超表面的辐射性能。因此，设计一种具有滤波功能的智能超表面具有较大的应用价值。滤波智能超表面不仅需要在反射幅度上具有带通状的滤波响应，在工作频带内还需要实现相位可调。然而，目前几乎没有具有滤波功能的智能超表面技术被提出。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具有滤波功能的智能超表面及设计方法。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种具有滤波功能的智能超表面的设计方法，包括：

4、设计理想滤波智能超表面，所述理想滤波智能超表面具备的反射响应特征为带外全吸收，带内全反射及带内反射相移可调；

5、构建滤波智能超表面的拓扑电路，并计算拓扑电路的反射系数，根据理想滤波智能超表面的反射响应特征，得到实现滤波响应的理论电路；

6、设计滤波智能超表面的等效电路，根据等效电路与周期性结构的映射关系，得到具有滤波功能的智能超表面的物理结构。

7、进一步，所述理想滤波智能超表面的响应建模为如下公式，公式(a)、(b)及(c)分别对应于三个反射特征：带外全吸收，带内全反射和带内反射相移可调；

8、

9、进一步，所述拓扑电路包括：

10、滤波层，用于实现带内信号反射，吸收带外干扰，

11、相移层，用于通过调控可重构器件的状态，改变智能超表面阻抗大小，进而改变反射相移；

12、及介质层。

13、进一步，根据拓扑电路和反射响应特征，得到所述滤波层同时包含串联结构和并联结构，其中，串联结构用于吸收带外噪声，并联结构用于在并联谐振频率产生全反射；

14、所述相移层具体为一个阻抗可调的并联谐振回路，包括串联回路、可重构器件和介质基板，当可重构器件状态变化时，相移层的输入阻抗发生改变，从而实现带内可调的反射相移。

15、进一步，所述串联结构包括电阻，所述并联结构包括电感及电容。

16、进一步，所述等效电路具体是等效为在一个宽带吸波器内引入一段全反射频带，并且在反射频带内实现可调的相移。

17、一种具有滤波功能的智能超表面，包括呈周期性排列的m×n个具有滤波功能的智能超表面单元，所述智能超表面单元是由所述的设计方法得到，采用标准喇叭或者平面波激励智能超表面单元阵列，所述智能超表面单元包括第一介质基板、第二介质基板和间隔空气层，所述第一介质基板上表面设置滤波层贴片，所述第二介质基板上表面设置阻抗调节层，所述第二介质基板下表面设置金属地板。

18、进一步，所述滤波层贴片包括金属贴片、集总电阻或具有欧姆损耗的涂层、缝隙或等效并联回路的结构；

19、所述阻抗调节层包括金属贴片和可重构器件，所述可重构器件的两端分别通过金属过孔与金属地板和直流控制线路连接。

20、进一步，为减小直流控制线路对射频结构的干扰，将所述金属过孔设置在金属贴片电场强度较弱的位置，或在金属过孔与直流控制线路之间设置具有通直隔交功能的器件。

21、一种具有滤波功能的双极化智能超表面，包括呈周期性排列的m×n个具有滤波功能的双极化智能超表面单元，采用标准喇叭或者平面波激励双极化智能超表面单元阵列，所述双极化智能超表面单元是由所述设计方法得到，所述双极化智能超表面单元具有旋转对称结构，包括第一介质基板、第二介质基板及间隔空气层，所述第一介质基板的上表面设置滤波层，所述第二介质基板的上表面设置阻抗调节层，为实现较好的交叉极化抑制性能，所述滤波层和阻抗调节层均设置为旋转对称布局。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

23、(1)本发明提出具有滤波功能的智能超表面，对比传统智能超表面，本发明在不损失带内辐射性能的前提下，实现了对带外信号滤波，提升了带内信号的传输信噪比，改善了智能超表面辅助无线通信系统的信号传输质量；

24、(2)本发明提出了一种具有滤波功能的智能超表面的设计方法，从滤波智能超表面的理想反射响应的特征出发，进行理论推导，并建立具备普适性的滤波智能超表面成立的理论条件。在理论条件的指导下，能快速得出具体的等效电路和对应的单元结构，节省了滤波智能超表面的仿真优化时间；

25、(3)本发明提出的具有滤波功能的智能超表面单元性能优异，单元带内工作频段的平均反射损耗较小，且带内相位可重构；对带外信号进行抑制，且单元在不同状态下的反射幅度的边频抑制效果显著；

26、(4)滤波智能超表面的增益频率曲线展示了明显的带通状响应，即带内增益稳定，带外增益抑制性能较好，进一步验证了滤波智能超表面理论的正确性；滤波智能超表面的辐射方向图在工作频带内稳定性好；滤波智能超表面阵列在工作频带内能实现波束扫描，扫描波束辐射方向图性能良好。

技术特征：

1.一种具有滤波功能的智能超表面的设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述理想滤波智能超表面的响应建模为如下公式，公式(a)、(b)及(c)分别对应于带外全吸收，带内全反射和带内射相移可调；

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述拓扑电路包括：

4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，根据拓扑电路和反射响应特征，得到所述滤波层同时包括串联结构和并联结构，其中，串联结构用于吸收带外噪声，并联结构用于在并联谐振频率产生全反射；

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述串联结构包括电阻，所述并联结构包括电感及电容。

6.根据根据要求1-5任一项所述的设计方法，其特征在于，所述等效电路具体是等效在一个宽带吸波器内引入一段全反射频带，并且在反射频带内实现可调的相移。

7.一种具有滤波功能的智能超表面，其特征在于，包括呈周期性排列的m×n个具有滤波功能的智能超表面单元，所述智能超表面单元是由权利要求1-6任一项所述的设计方法得到，采用标准喇叭或者平面波激励智能超表面单元阵列，所述智能超表面单元包括第一介质基板、第二介质基板和间隔空气层，所述第一介质基板上表面设置滤波层贴片，所述第二介质基板上表面设置阻抗调节层，所述第二介质基板下表面设置金属地板。

8.根据权利要求7所述的智能超表面，其特征在于，所述滤波层贴片包括金属贴片、集总电阻或具有欧姆损耗的涂层、缝隙或等效并联回路；

9.根据权利要求7所述的智能超表面，其特征在于，为减小直流控制线路对射频结构的干扰，将所述金属过孔设置在金属贴片电场强度较弱的位置，或在金属过孔与直流控制线路之间设置具有通直隔交功能的器件。

10.一种具有滤波功能的智能超表面，其特征在于，包括呈周期性排列的m×n个具有滤波功能的双极化智能超表面单元，采用标准喇叭或者平面波激励双极化智能超表面单元阵列，所述双极化智能超表面单元是由权利要求1-6任一项所述的设计方法得到，所述双极化智能超表面单元具有旋转对称结构，包括第一介质基板、第二介质基板及间隔空气层，所述第一介质基板的上表面设置滤波层，所述第二介质基板的上表面设置阻抗调节层，所述滤波层和阻抗调节层均设置为旋转对称布局。

技术总结
本发明公开了一种具有滤波功能的智能超表面及设计方法，所述滤波智能超表面不仅具有带内全反射且相位可调的功能，而且能全吸收带外信号以抑制带外噪声。所述滤波智能超表面的拓扑电路包括滤波层、传输线及相移层，通过推导拓扑电路，得到满足滤波智能超表面的理论条件，进而指导等效电路和单元结构设计。本发明具有滤波功能的智能超表面在保证带内信号正常传输的前提下，显著抑制了带外噪声，提高了目标信号的传输信噪比，能优化无线通信系统的电磁环境。

技术研发人员：章秀银,胡群强,杨会平,曾昕菟,饶雨凡
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1