CN116783779A - 反射波束导向超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例可以呈现全‑双工非互易性‑波束‑导向传输相位‑梯度超表面。超表面可以包括导体层,其介于两个介电层之间。介电层中的每一个可以包括嵌入其中的多个单元格。单元格的每一个可以包括移相器和天线元件。超表面可以起作用,使得当在超表面的表面处接收到电磁波时,超表面可以传输具有与接收到的波的频率相似或相同的频率但朝向空间中的方向不同的波。
Description
技术领域
以下涉及用于非互易性波设计和电磁波辐射控制的超表面(metasurface)领域。具体地说,提出了一种用于通过反射表面来多功能控制电磁波以进行全双工和非互易性波束导向的方法。
背景技术
现代无线电信系统可能需要能够进行非互易性波处理(特别是在反射状态下)的多功能装置。
非互易性辐射是指其中结构在入射场方向改变下提供不同响应的电磁波辐射。基于铁氧体的磁性材料已被用于非互易性实施。然而,基于铁氧体的磁性材料可能很重、成本很高、可能与印刷电路板技术不兼容,并且可能不适合高频应用,其可能包括5G、6G和未来几代电信系统。
需要改进的电信系统。
发明内容
在一个实施例中,提供了反射超表面。超表面包括介电层,其被夹在两个导体层之间。底部导体层可以充当贴片天线元件的接地平面,并且还可以包括单面电路的直流(direct current,DC)信号贴片。顶部导体层可以包括贴片天线元件、晶体管和移相器。介电层可以将两个导体层彼此分开。
每个单元格(unit-cell)可以由贴片天线元件、移相器和单面(unilateral)电路形成。
当在超表面的表面处接收到电磁波时,超表面反射具有与接收到的波的频率相同的频率但朝向空间中的期望方向的波。
在另一个实施例中,提供了一种超表面系统。超表面系统包括介电层,其介于两个导体层之间。导体层中的每一个包括嵌入其中的多个单元格。多个单元格中的每一个单元格包括周边电路(surrounding circuit)。周边电路可以由与一个移相器电气连接的至少一个微带贴片辐射器组成,该移相器与单面电路(例如晶体管)电气连接。晶体管射频(radio frequency,RF)电路包括两个去耦电容器,并且晶体管的DC偏置电路包括电感器、两个电容器和一个电阻器。
在又一个实施例中,提供了一种使用反射超表面进行波束导向的方法。该方法包括用DC信号对单元格进行偏置;DC信号经历至少一组梯度相移;DC信号然后偏置至少一个晶体管以产生非互易性相移。
附图说明
现在将参考附图描述实施例,其中:
图1提供了超表面系统和非互易性波束导向操作的示意性表示;
图2提供了互连的反射非互易性相移单元格的链及它们在前向和后向入射电磁场下的操作的示意性表示;
图3提供了由非互易性相移辐射单元格形成的超表面系统的视图;
图4提供了图3中所示的超表面的能量收集版本,其中使用了较少的单面晶体管;
图5提供了可以被用于进一步改进用于高级非互易性波束导向的超表面操作的非互易性相移单元格的电路;
图6提供了所制造的超表面的两层的示意图;
图7提供了所制造的超表面的照片;
图8提供了非互易性辐射波束反射超表面的实验装置的示意表示;
图9a提供了展示从80度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果;
图9b提供了展示从80度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的频率响应的实验结果;
图10a提供了展示从70度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果;
图10b提供了展示从70度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的频率响应的实验结果;
图11a提供了展示从60度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果;
图11b提供了展示从60度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的频率响应的实验结果;
图12a提供了展示从50度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果;
图12b提供了展示从50度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的频率响应的实验结果;
图13a提供了展示从45度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果;
图13b提供了展示从40度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果;
图14a提供了展示通过改变从60度入射角入射的波的非互易性移相器的相移的波束导向功能的实验结果;
图14b提供了展示通过改变从30度入射角入射的波的非互易性移相器的相移的波束导向功能的实验结果;
图15a提供了非互易性辐射波束反射超表面的近场实验装置的示意表示;
图15b提供了展示从40度入射角入射的波的超表面的近场性能的实验结果;
具体实施方式
本发明的实施例可以提供一种非互易性-波束-导向相位-梯度反射超表面(nonreciprocal-beam-steering phase-gradient reflective metasurface),其可以协助高效的全双工通信。超表面可以被放置在墙上或天线前面,以放大波,和/或将波束导向到期望方向,即,转变辐射模式,并且为从其左侧和右侧入射的波引入不同的辐射模式。超表面被赋予有定向、多样的和不对称的发射和接收辐射波束,以及可调谐的波束形状。此外,这些波束可以通过改变非互易性移相器的DC偏压而被导向。不存在不期望的谐波,从而产生具有显著的波放大的高转换效率,这对于实际应用(诸如点对点全双工通信)至关重要。
现在转向附图,图1描绘了反射超表面112的结构和超表面的非互易性-波束功能的工作原理。超表面厚度为亚波长。在前向问题中(由“F”表示),来自右上侧104的入射波100在入射角108下撞击超表面112的顶部,其正被放大并以期望的传输角109反射到超表面102的左上侧。放大105和传输波的传输角109可以通过提供非互易性移相器的DC偏压而被调谐。
在后向问题中(由“B”表示),来自左上侧101的入射波在入射角110下撞击超表面112的顶部,并且以期望的传输角111反射到超表面103的右上侧107,该传输角111不同于前向问题的传输角109。前向问题和后向问题的放大水平和传输角完全不同,并且可以通过提供非互易性移相器的DC偏压被调谐。
图2描绘了互连的单元格的链的示意图。每个单元格由贴片天线元件107和非互易性移相器113组成。非互易性移相器113可以是单向的或者是双向的。单向非互易性移相器由与固定移相器106结合的单面器件(例如,基于晶体管的放大器)构成。贴片天线元件107可以是双馈(double-fed)微带贴片天线,以允许在超表面内以期望方向传输功率的流动。然而,第一贴片天线元件107a和最后贴片天线元件107n可以是单馈(single-fed)贴片。互连贴片107和非互易性移相器113的链对于来自右侧100和102的入射波与来自左侧101和103的入射波表现不同。
图3提供了反射波束导向超表面112的示意图。超表面由通过梯度非互易性移相器113、106互连的贴片107的一组链(a、b、c、…n)形成。
所提出的概念和非互易性技术可以被用于范围从声学和微波到太赫兹和光学的不同频段。例如,人员可以通过调整贴片天线元件的尺寸并使用基于晶体管的非互易性移相器,在毫米波和太赫兹频率下制造类似的超表面。在一个实施例中,用于毫米波的贴片天线元件可以更小,以及单面功率放大。毫米波可以对光学器件和光学应用有用。
为了增加带宽,可以使用其他微带贴片天线,诸如Vivaldi天线。这可以被转换为太赫兹频率(10^12Hz),并且被用于诸如6G、7G、8G等的高频。
可以根据需要改变阵列的大小。例如,可以使用更大的阵列来增加角度选择性。通常可以要求至少两个单元格。
图4提供了能量收集和较低成本版本的反射超表面112b的示意图。在该实施例中,超表面112b包括较少数量的非互易性移相器106、113,因此要求较低的功率。在该实施例中,每列贴片107仅使用一组梯度非互易性移相器。该实施例可以在并联或串联电路架构中被实施。
图5描绘了双向非互易性移相器113的结构。非互易性移相器由两个功率分配器115a,115b、两个基于单面晶体管的放大器116a和116b、两个固定移相器114a和114b、以及四个去耦电容器104、105、106和107形成。顶部和底部的移相器提供不同的相移。顶部和底部的放大器可以分别在前向和后向方向上提供相等的放大和隔离。从左侧118进入结构的信号通过上臂,经历顶部放大器的放大,并且然后穿过顶部移相器。然而,从右侧119进入结构的信号通过下臂,经历底部放大器的放大,并且然后穿过底部移相器。
图6示出了所制造的反射波束导向超表面的布局。顶层包括通过基于单向晶体管的梯度非互易性移相器113互连的贴片107的一组链。底部导体层包括两种金属,第一金属118充当贴片天线107的背景接地,并且第二金属119提供晶体管118的DC偏压。晶体管的DC偏压被提供给顶层的右下侧120,通过通孔被转移到底层,并且然后通过通孔提供给每个晶体管。在一些实施例中,这两种金属是不连接的。
图7提供了所制造的反射超表面的照片。在本实施例中,超表面由30个贴片天线元件107(即,20个双馈贴片天线元件和10个单馈贴片天线元件)和25个非互易性移相器113形成。每个非互易性移相器113包括基于互易性传输线的移相器、基于Gali-2+晶体管的放大器、两个去耦电容器、电感器和旁路电容器。
在实施例中,总共使用了25个Gali-2+放大器、25个Lchk=15nH的电感器、25个100pF的旁路电容器和50个Ccpl=3pF的去耦电容。超表面被制造为两层电路(即,两个导体层)和一个介电层(由Rogers RO4350制成),高度为30密耳。每个单元格包括每单元格的一个放大器、1个电感器、1个旁路电容器和2个去耦电容器。可以使用任何厚度的层。
可以使用其他放大器。例如,高频应用可能希望使用替代放大器。
图8提供了示出非互易性辐射波束反射超表面的实验演示的示意图。测量装置由制造的反射超表面112、用于保持超表面112的吸收器122、矢量网络分析器、DC电源和两个喇叭天线121组成。
图9a提供了展示从80度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果。对于前向问题,其中入射波从右侧(即,在+80度的入射角上)撞击到超表面,该波被超表面立即放大,约16.5dB,并且被反射成期望的-5度反射角。然而,对于后向问题,其中入射波从左侧(即,在-5度和-80度的入射角上)撞击到超表面,该波没有被显著放大。
图9b提供了展示从80度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的频率响应的实验结果。不同角度处的波反射之间的隔离示出了,在5.81GHz的频率下实现了适当的波放大和隔离。
图10a提供了展示从70度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果。对于前向问题,其中入射波从右侧(即,在+70度的入射角上)撞击到超表面,该波被超表面立即放大,约19dB,并且被反射成期望的-20度反射角。然而,对于后向问题,其中入射波从左侧(即,在-20度和-70度的入射角上)撞击到超表面,波被放大小于13dB,并且在与入射角的相反的反射角下。
非互易性全双工操作如下。用于接收和发送的主端口被放在-20度。结果,实现了从-20到+20的+12dB的发送增益。然而,从+70到-20实现了18.5dB的接收增益。因此,超表面能够同时发送和接收,但以不同的发送和接收角度,即具有+20度的发送角度和+70度的接收角度。
图10b提供了展示从70度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的频率响应的实验结果。不同角度处的波反射之间的隔离示出了,在5.81GHz的频率下实现了适当的波放大和隔离。
图11a提供了展示从60度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果。对于前向问题,其中入射波从右侧(即,在+60度的入射角上)撞击到超表面,该波被超表面立即放大超过21.2dB,并且被反射成期望的-28.5度反射角。然而,对于后向问题,入射波从左侧(即,在-28.5度和-60度的入射角上)撞击到超表面,该波没有被显著放大。
超表面的非互易性操作不仅针对用于前向波入射和后向波入射的不同波放大,而且还针对波束导向。超表面的非互易性波束导向操作如下。对于前向问题,对应于+60度的入射角,普通反射读取-60度,但根据超表面的相位梯度轮廓,波被导向-28.5度。然而,对于后向波入射,对应于-28.5度的入射角,波在普通反射角(即,+28度)下被反射。这是由于超表面的非互易性相位梯度轮廓主要影响来自右侧的前向波的事实。
图11b提供了展示从60度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的频率响应的实验结果。不同角度处的波反射之间的隔离示出了,在5.81GHz的频率下实现了适当的波放大和隔离。
图12a提供了展示从50度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果。对于前向问题,其中入射波从右侧(即,在+50度的入射角上)撞击到超表面,该波被超表面立即放大超过21.7dB,并且被反射成期望的-20度反射角。然而,对于后向问题,其中入射波从左侧(即,在-20度和-50度的入射角上)撞击到超表面,波在普通反射角下被近似地反射,并且具有小得多的功率放大。
非互易性全双工操作如下。用于接收和发送的主端口被放在-20度。结果,实现了从-20到+24的+12dB的发送增益。然而,从+50到-20实现了21.6dB的接收增益。因此,超表面能够同时发送和接收,但以不同的发送和接收角度,即具有+24度的发送角度和+50度的接收角度。
图12b提供了展示从50度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的频率响应的实验结果。不同角度处的波反射之间的隔离示出了,在5.81GHz的频率下实现了超过21.7dB的波放大和隔离。
图13a提供了展示从45度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果。对于前向问题,其中入射波从右侧(即,在+45度的入射角上)撞击到超表面,该波被超表面立即放大,超过25dB,并且被反射成期望的-18度反射角。然而,对于后向问题,其中入射波从左侧(即,在-45度的入射角下)撞击到超表面,该波没有被显著放大,并且没有被波束导向。
图13b提供了展示从40度入射角入射的波的非互易性全双工波束导向功能的实验结果。对于前向问题,其中入射波从右侧(即,在+40度的入射角上)撞击到超表面,该波被超表面立即放大,约21.6dB,并且被反射成期望的零度反射角。然而,对于后向问题,其中入射波从左侧(即,在-40度的入射角下)撞击到超表面,该波没有被显著放大。
图14a提供了展示通过由DC偏压改变在5.8GHz下从+60度入射角入射的波的非互易性移相器的相移的波束导向功能的实验结果。对于前向问题,其中入射波从右侧(即,在+60度的入射角上)撞击到超表面,该波被超表面立即放大超过10dB,并且对于3.6V、3.84V和4V的DC偏压,被反射成不同的期望反射角。
图14b提供了展示通过改变在频率5.8GHz下从+30度入射角入射的波的非互易性移相器的相移的波束导向功能的实验结果。对于前向问题,其中入射波从右侧(即,在+60度的入射角上)撞击到超表面,该波被超表面立即放大超过10dB,并且对于3.7V和3.84V的DC偏压,被反射成不同的期望反射角。
图15a提供了非互易性辐射波束反射超表面的近场实验装置的示意表示。在这个实验中,两个源喇叭天线被放置在超表面的近场区域内,并且非常靠近超表面。
图15b提供了展示从+40度入射角入射的波的超表面的近场性能的实验结果。该图示出了超表面为远场实验和近场实验提供了非常接近的结果。这示出了超表面在近场中的出色性能。
反射超表面提供了实现伴随着波放大的全双工反射波束导向的机会。提出了一种在反射状态下实现非互易性波束操作的机制,使得该结构可以被用作天线的天线罩或可以被安装在墙上。入射波和传输波共享相同的频率。单元格中的非互易性相位和幅度转变被用来实现辐射非互易性移相器,其中该结构不受不期望的频率谐波的影响。
应该注意的是,所提出的超表面的带宽增强没有固有的限制。所提出的单元格的频率带宽可以通过使用微带贴片元件和非互易性移相器的带宽增强的设计方法被增强。
表1提供了所公开的非互易性波束可导向的反射超表面性能的一个实施例的概述。操作频率值的其他范围可以在5GHz到8GHz之间被使用。根据需要可以使用更高和更低的频率值。
不同的反射角度,不同的波束形状,放大,(可编程,可控)
如可以理解的,本领域的技术人员可以很容易地调整该技术,而没有创造性步骤,来使用更高和更低的频率值,特别是随着电信技术发展以使用不同的频率。
尽管已经参考某些特定实施例描述了本发明的实施例,但可以采用其各种修改,而不会脱离本发明的精神和范围。
Claims (17)
1.一种用于反射波束导向的超表面,包括:
介电层,其被夹在两个导体层之间;
至少一个单元格,其被电气连接到所述介电层;
所述至少一个单元格包括至少一个天线元件和至少一个非互易性可调谐移相器;
其中,当具有频率的入射电磁波撞击到所述超表面时,所述超表面将波的放大版本反射到空间中的期望方向,所述波的放大版本具有与入射波的频率相同的频率。
2.根据权利要求1所述的超表面,其中,所述至少一个天线元件包括至少一个贴片辐射器。
3.根据权利要求1所述的超表面,其中,DC偏置馈电被嵌入在底部导体层内部。
4.根据权利要求1所述的超表面,其中,所述至少一个单元格用DC信号进行调谐以控制反射波的至少一个特性。
5.根据权利要求4所述的超表面,其中,所述至少一个特性包括反射角。
6.根据权利要求5所述的超表面,其中,所述至少一个特性包括所述反射波的振幅。
7.根据权利要求6所述的超表面,其中,周边电路包括至少一个互易性移相器、至少一个基于晶体管的放大器、至少一个扼流电感、至少两个去耦电容和至少一个旁路电容器。
8.根据权利要求7所述的超表面,其中,所述至少一个扼流电感防止所述入射电磁波泄漏到DC偏置路径,并且至少一个去耦电容防止DC偏压泄漏到下一个单元格的RF路径。
9.一种用于反射波束导向的超表面系统,包括:
介电层,其介于两个导体层之间;
单元格阵列,其电气连接到所述导体层中的每一个;
所述单元格阵列包括至少一个非互易性可调谐移相器和至少一个天线元件,所述介电层和阵列进行组合以创建超表面;
其中,当具有频率的入射电磁波撞击所述超表面时,所述超表面将波的放大版本反射到空间中的期望方向,所述波的放大版本具有与入射波的频率相同的频率。
10.根据权利要求9所述的超表面系统,其中,所述至少一个天线元件包括至少一个贴片辐射器。
11.根据权利要求9所述的超表面系统,其中,DC偏置馈电被嵌入在底部导体层内部。
12.根据权利要求9所述的超表面系统,其中,所述单元格阵列用DC信号进行偏置以控制反射波的至少一个特性。
13.根据权利要求12所述的超表面系统,其中,所述至少一个特性包括反射角。
14.根据权利要求13所述的超表面系统,其中,所述至少一个特性包括所述反射波的振幅。
15.根据权利要求14所述的超表面系统,其中,周边电路包括至少一个互易性移相器、至少一个基于单向晶体管的放大器、至少一个扼流电感、至少一条旁路电容器和至少两个去耦电容。
16.根据权利要求15所述的超表面系统,其中,所述至少一个扼流电感和至少一个去耦电容将DC偏压路径与所述超表面的RF信号路径分开。
17.一种使用超表面的反射波束导向的方法,包括:
用DC信号对单元格进行偏置;
所述DC信号经历至少一组梯度相移;
所述DC信号然后偏置至少一个基于单面晶体管的放大器,以产生非互易性相移。
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