双向波束增益可控的透反射独立可重构智能超表面系统

本技术涉及远距离无线通信领域，尤其涉及一种双向波束增益可控的透反射独立可重构智能超表面系统。

背景技术：

1、在现代无线通信、雷达系统以及其他电磁波应用领域，传统的电磁波控制技术主要依赖于天线和滤波器等元件。这些元件通常具有固定的工作模式和频率响应，难以满足复杂的电磁环境和多功能需求。为了提高电磁波控制的灵活性和效率，近年来，超表面技术成为了一个研究热点。

2、其中，超表面(metasurface)是一种由亚波长尺度的人工结构单元组成的二维材料，能够对电磁波的幅度、相位和极化状态进行精确调控。典型的超表面结构包括金属贴片、介质基板和电控元件(如二极管、变容二极管等)。通过设计超表面单元的几何形状和材料特性，可以实现对电磁波的反射、透射和折射等特性的控制。

3、尽管超表面技术在电磁波控制领域具有广阔的应用前景，但现有的超表面设计仍存在一些明显的局限性：

4、1.固定模式的超表面：传统超表面通常设计为特定的反射或透射模式，缺乏灵活性，无法根据实际需求动态调整电磁波的传播特性。

5、2.频率响应单一：许多超表面设计只在特定频率范围内有效，难以适应宽频带应用。特别是在无线通信领域，频率资源的高效利用至关重要，单一频率响应的超表面无法满足多频段通信的需求。

6、3.有限的波束控制能力：现有超表面在波束方向和增益控制方面能力有限，无法实现高精度的波束成形和动态调整，影响了其在雷达和通信系统中的应用效果。

7、4.复杂的控制机制：一些先进的超表面设计依赖于复杂的电控元件和驱动电路，导致系统复杂度高，成本增加，难以实现大规模应用。

8、而随着5g通信技术的发展和物联网设备的普及，电磁波控制技术需要具备更高的灵活性、更广的频率响应和更强的波束控制能力。同时，为了适应多变的电磁环境和复杂的应用场景，超表面技术的发展趋势主要包括以下几个方面：

9、1.可重构性：开发具有可重构能力的超表面，使其能够根据不同的应用需求动态调整透射和反射特性，满足多功能的电磁波控制需求。

10、2.宽频带响应：设计覆盖广泛频率范围的超表面，适应多频段通信和雷达系统的要求，提升系统的频谱利用效率。

11、3.高精度波束控制：通过精细设计和控制机制，实现对电磁波波束方向和增益的精确调控，增强通信和雷达系统的性能。

12、4.简化控制系统：降低控制系统的复杂度和成本，提升超表面的可制造性和实用性，推动技术的广泛应用。

13、一些现有研究已经在超表面的可重构性和宽频带响应方面取得了初步成果。例如，通过引入可调谐元件(如变容二极管)和控制电路，可以实现超表面的动态调控功能。然而，这些研究大多集中在单一功能或有限频率范围内，尚未能够全面解决实际应用中的多功能需求和宽频带响应问题。

14、针对现有超表面技术的局限性，本发明提出了一种双向波束增益随频率可控的透反射独立可重构智能超表面系统。该系统通过引入复杂的超表面结构和先进的电控机制，实现了对电磁波透射和反射特性的灵活调控，特别是在不同频率条件下，实现了双向波束增益的精确控制。此项发明不仅克服了传统超表面的局限性，还能够满足现代通信和雷达系统对高灵活性和高性能电磁波控制的需求。

技术实现思路

1、针对现有超表面技术的局限性，本技术提供了一种带有随频率变化双向增益控制功能的透反射独立可重构智能超表面系统，该系统通过引入复杂的超表面结构和先进的电控机制，实现了对电磁波透射和反射特性的灵活调控，特别是在不同频率条件下，实现了双向波束增益的精确控制。此项发明不仅克服了传统超表面的局限性，还能够满足现代通信和雷达系统对高灵活性和高性能电磁波控制的需求。

2、第一方面，本技术提供一种双向波束增益可控的透反射独立可重构智能超表面系统，包括：

3、接收电磁信号的可重构智能超表面阵列，用于产生可重构透反射笔形波束；

4、与所述可重构智能超表面阵列偏置线相连的直流电压控制板，用于控制可重构智能超表面中每根偏置线的直流电压。

5、作为本发明的进一步方案，所述可重构智能超表面阵列由两块不同厚度且双面覆铜的介质基板通过粘合板粘连而成，上层介质基板上表面为反射金属谐振贴片阵列，下表面为接地金属面；下层介质基板上表面为直流电压偏置线电路，下表面为透射金属谐振贴片。

6、作为本发明的进一步方案，所述可重构智能超表面阵列由结构相同的方形电磁单元组成，每个电磁单元由独立的反射金属贴片、两根分别连接反射金属贴片外环和透射金属谐振贴片外环的偏置线，以及独立的透射金属谐振贴片构成。

7、作为本发明的进一步方案，所述直流电压控制板的可编程数字io与串并信号转换控制板相连；所述串并信号转换控制板通过串行输入、寄存器并行输出方案，产生独立的直流电压偏置引线，各自串联一个限流电阻后与所述可重构智能超表面阵列的每个电磁单元的偏置线相连。

8、作为本发明的进一步方案，所述直流电压控制板由1块fpga控制板、66个型号为74hc595的寄存器和512个限流电阻组成；66个寄存器分为11组，每组通过级联的方式，通过控制板串行输入、寄存器并行输出方案，产生独立的直流电压偏置引线，各自串联一个限流电阻后与所述可重构智能超表面阵列的每个电磁单元的偏置线相连。

9、作为本发明的进一步方案，为了防止高频能量通过偏置线损耗，阵列的所述电磁单元的反射金属电磁谐振贴片外环串联一个射频电感器再与对应偏置线相连，透射金属电磁谐振贴片外环的偏置线设置在其电场最薄弱的地方。

10、作为本发明的进一步方案，所述可重构智能超表面阵列电磁单元的金属贴片由内部圆形贴片及其外部环形贴片组成，由于内外贴片电压差的原因，内外金属贴片通过两个工作在相反状态的pin二极管相连，当内外贴片的电压反向时，两个二极管的导通状态将同时反转，金属贴片散射的电磁波会产生180°相位差。反射金属贴片接收来自馈源的电磁能量并向上反射部分电磁能量，反射与透射金属谐振贴片通过中间金属柱相连以将部分电磁能量从反射电磁贴片传输至透射贴片，再通过透射贴片辐射至下方空间以实现独立的透反射波束聚焦功能。

11、作为本发明的进一步方案，所述可重构智能超表面阵列电磁单元的两层金属贴片上各集成两个pin二极管，且反射电场相位只由上层反射金属贴片上的pin二极管控制，透射电场相位只由下层透射金属谐振贴片上的pin二极管控制。因此，所设计的电磁单元拥有四种状态：“10 10”，“1001”，“01 10”和“01 01”(1，0分别表示pin二极管的打开和关闭状态)。

12、作为本发明的进一步方案，所述可重构智能超表面阵列电磁单元的反射金属贴片通过极化转化实现反射电磁波的180°相移。当入射电磁波极化为x方向极化时，通过控制反射金属贴片上不同pin二极管的导通状态，能够将合成电场矢量方向束缚在±45°方向上，进而使得不同pin二极管导通状态下，反射电场均为y方向极化且不同状态下反射电场存在180°相位差。值得注意的是，此反射电场相控原理包括但不限于此贴片形式，所有运用此机制进行反射相位调控的透反射独立可重构智能超表面阵列均应受到本发明的保护。

13、作为本发明的进一步方案，所述可重构智能超表面阵列电磁单元的透射金属谐振贴片通过控制贴片电流方向实现透射电磁波的180°相移。当透射金属谐振贴片接收来自反射金属贴片的能量后，通过控制透射金属谐振贴片上不同pin二极管的导通状态，能够实现不同状态下相反的感应电流，使得透射电场在不同状态下具有180°相位差。值得注意的是，此透射电场相控原理包括但不限于此贴片形式，所有运用此机制进行透射相位调控的透反射独立可重构智能超表面阵列均受到本发明的保护。

14、作为本发明的进一步方案，所述可重构智能超表面阵列电磁单元的反射金属贴片和透射金属谐振贴片拥有不同的谐振特性，当反射金属贴片产生谐振时，反射金属贴片所反射的电磁能量达到最大，此时可重构智能超表面阵列处于纯反射模式；当透射金属谐振贴片产生谐振时，透射金属谐振贴片辐射的电磁能量与反射金属贴片所反射的电磁能量相近，此时可重构智能超表面阵列处于透反射模式；在两种工作模式之间的频带范围内，可以实现随频率变化的双向波束增益控制功能。

15、与现有技术相比，本发明的双向波束增益可控的透反射独立可重构智能超表面系统，具有以下有益效果：

16、1.双向波束增益控制具备灵活调控和增强性能的特点，系统能在不同频率下实现双向波束增益的精确控制，满足多种应用需求；通过优化波束方向，提高通信质量和雷达系统的探测能力。

17、2.宽频带响应适应多频段且能够优化频率响应，系统在宽频带范围内保持高效工作，适用于多频段通信和雷达应用，提升了系统的通用性，确保在宽频带内的稳定性能。

18、3.透反射独立可重构具备独立调节和动态适应特点，系统能够独立调节透射和反射特性，提供更加灵活的电磁波控制手段；实时调整系统参数，适应不同环境和需求，提高系统的适应性和灵活性。

19、4.简化了控制系统，降低了复杂度，实现了高效控制，实现高效、精确的系统控制，提高响应速度和精度，实现波束的精确控制，增强雷达和通信系统的性能，在雷达系统中，精确波束控制提高目标检测的分辨率和探测距离。

20、综合所述，本发明的双向波束增益随频率可控的透反射独立可重构智能超表面系统，实现了双向波束增益控制、宽频带响应、透反射独立可重构等多项功能，显著提升了系统的性能和适应性，提供了一种高效、灵活的电磁波控制解决方案，具有重要的实际应用意义和广泛的市场前景。