CN114696106A - 一种机械驱动的智能电磁超表面设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射型机械驱动的智能电磁超表面设计方法。该智能表面将电磁超表面和机械驱动结构相结合，打破了传统无源超表面不可重构、无法实时调控的限制，与有源超表面相比则没有引入损耗，具有更高的反射效率。基于以上优点，该智能表面可以在自由空间中的电磁波入射时，实现对两个正交线极化电磁波的波束赋形和覆盖增强等功能。该智能表面通过优化的方形贴片结构对指定频段的电磁波进行响应，其动态可调性质则通过计算机及控制板输出脉冲信号实时控制三个步进电机驱动可调金属背板双向移动来实现。这种极化复用的反射型机械驱动智能表面具有效率高，易于加工，实时动态连续可调等特点，在拓宽信道容量，提高通信效率等方面具有应用前景。
Description
技术领域：
本发明设计一种由机械驱动的反射型智能电磁超表面，属于人工电磁材料领域，具有高效、快速、实时动态可调的特点，同时在设计的通信频段内能够实现对电磁波覆盖增强、波束调控的功能。
背景技术：
智能表面是一个最早由电磁学家提出，近年来逐步引入到移动通信***实际应用中的概念。早期的智能表面主要应用于军事中的雷达及反雷达设备，近期随着人工电磁材料的兴起，大大增加了人们对各频段电磁波调控的自由度，智能表面也因此在无线通信中取得应用。电磁超表面作为人工电磁材料的二维形式，在保证了对电磁波调控能力的基础上同时还具有低剖面的特性。目前的智能电磁表面大多由有源超表面组成，通过在每个器件单元引入PIN二极管或者变容管等实现对单元不同工作状态的切换和控制，使得智能表面反馈出不同的电磁响应。这种方式虽然能够对电磁波进行快速的调控，但是有源器件的引入，会使得超表面单元***一定的损耗，从而限制了智能表面整体的效率。而无源超表面相较于有源超表面不会受到***损耗的影响，能够解决效率的限制问题，但是无源超表面往往不能够重构和快速实时地调控电磁波。针对这样的现状，本发明中涉及的智能电磁超表面利用方形金属贴片结构产生电磁谐振，通过步进电机机械驱动改变单元的空气层厚度，实现对反射电磁波的相位调控。该机械驱动的电磁超表面可以在2.6GHz实现对电磁波的全相调控，同时维持较高的反射效率，结构简单易于加工，调控速度快，在无线通信***中具有良好的应用前景。
发明内容：
发明目的：本发明提出的反射型机械驱动智能电磁超表面通过在无源超表面中引入机械驱动装置，使得智能超表面能够在设计的微波通信频点实现对电磁波高效的实时相位调控。该智能表面与有源超表面相比则具有更高的反射效率，在无线通信5G，6G技术中的覆盖增强、波束赋形方面有许多潜在的应用。
技术方案：本发明所述的机械驱动智能电磁超表面，由电磁超表面和机械驱动装置两部分组成。其中该每个单元的电磁超表面部分包括上层金属贴片层，介质层，金属腔体及金属背板。其中介质层的材料选择为介电常数为2.2的F4B板材。智能超表面每个单元的金属图案由16个大小相同的金属贴片组成，其作用是引起电磁谐振，从而能够对反射的双极化电磁波进行全相的相位调控。合理优化后的方形金属贴片尺寸和介质层厚度等参数能够保证智能表面单元有较宽的相位调节范围。金属腔体材料选择为金属铝，其作用一方面是为隔离单元与单元之间由于空气层厚度不同引起的的电磁漏波串扰，另外一方面是对竖直放置整体的智能表面阵列起到支撑的作用。超表面的金属背板与机械驱动结构的螺杆相连接，通过连续调节金属背板与介质板之间的空气层厚度，达成连续调节反射相位的目的。机械驱动装置部分则包括步进电机和控制***。每个智能表面单元的可调背板由三个步进电机结合三根螺杆进行驱动，沿着超表面的法线方向位移的范围为0-15mm，三个电机由控制***同步控制。拼接好的16×16智能超表面阵列，每一个单元都可以独立快速控制电磁超表面的空气层厚度，使得阵列能在不同的相位分布之间快速切换。
有益效果：1、在2.6GHz的无线通信频点上，本发明设计的机械驱动智能电磁超表面能够实现对反射双极化电磁波的360°相位调控，并且反射幅度大多都在0.97以上。2、本发明设计的智能表面能够快速切换阵列的相位分布，实现对电磁波的覆盖增强与波束赋形。3、本发明设计的智能表面具有高反射效率，结构简单易设计，适用于双极化电磁波，现场可编程，快速切换等特性，在无线通信领域具有潜在的应用前景。
附图说明：
图1是实施例涉及的实时动态机械可调的电磁波束调控***整体示意图；
图2是智能表面单元结构示意图。(a)单元内部结构图，(b)单元背面机械结构示意图。
图3是智能表面机械驱动部分实物图及机械部分工作原理示意图。(a)机械结构实物(侧视图)，(b)机械结构实物(背面)，(c)可调反射板与介质层之间空气层厚度较小时示意图，(d)可调反射板与介质层之间空气层厚度较大时示意图。(c)与(d)空气层不同厚度之间的切换，通过步进电机和螺杆驱动可调反射板位移来实现。
图4是2.6GHz频点处智能表面单元相位和反射系数随着空气层厚度变化的曲线。(a)x 极化电磁波入射到智能表面单元的反射相位调制效果，(b)为x极化电磁波入射到智能表面单元的反射幅度调制效果。因为本单元在x与y方向等效，因此对y极化电磁波有同样的调制效果，未画出。
图5分别是该智能表面通过更改0°/180°单元等比例排布周期实现双波束扫描的全波仿真远场能量分布图；(a)为以2排为周期的远场仿真结果图；(b)为以8排为周期的远场仿真结果图。
图2中，1-方形金属贴片；2-介质层；3-可调反射板；4-金属腔体；5-螺杆；6-金属背板； 7-步进电机；8-控制板。
具体实施方式：
下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。
应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。
实施例1：
图1示出了一种工作在2.6GHz通信频点处的机械驱动智能电磁超表面工作原理示意图，其中包括了电磁超表面部分和机械驱动结构部分。图示中电磁波沿着z轴的负方向入射到在 xy平面的智能表面阵列上，阵列包含16*16个均匀排布的智能表面单元，每个智能表面单元均能独立控制反射相位响应。由计算机和控制板输出实时的脉冲信号，能够驱动步进电机改变电磁超表面的结构参数，从而快速切换智能表面的相位分布，达到实时波束赋形，覆盖增强的效果。
如图2所示，图2(a)给出了该机械驱动智能表面的单元内部结构，包括介质层正面的 16个方形金属贴片1，F4B介质层2(介电常数2.2，损耗角正切0.001)，介质层后面的可调反射板3，隔离单元与单元之间串扰的金属铝板腔体4，连接着可调反射板的三根螺杆5，固定三个步进电机7及电路板8的金属背板6。本实施例中，16个边长p0为2mm的方形金属patch结构由铜制成，厚度为0.018mm，F4B介质层2的厚度h0为2.5mm，金属贴片通过PCB生产工艺加工到介质层表面。每两个方形金属贴片之间的间隔d为10mm，每个单元外侧的贴片和边缘之间的距离为5mm，16个金属贴片均匀分布在每个单元的介质层上。图2(b)给出了智能表面单元背面的示意图，通过三个步进电机7与齿轮传动机构(未画出)带动三根螺杆5沿着Z轴方向位移，结合三点确定一面的机理，三根螺杆同时前进能够确保可调反射板保持在xy平面的基础上前后移动，从而改变电磁超表面内部的空气层厚度，达到连续调节反射相位的目的。三根螺杆5的半径r0为1mm，从固定的金属铝板6中穿孔经过。三个步进电机的型号为28BYJ-48，电压为DC 5V-12V，通过计算机和控制板8对三个步进电机同步施加一系列连续不断的脉冲，使其转过一定的角度，从而驱动可调反射板向前/后移动指定的距离。三个步进电机7和控制板8通过螺丝固定在金属铝板6上，控制板再与计算机相连，接收计算机发出的指令。
在图3中给出了步进电机驱动可调反射板移动的过程及智能表面单元机械结构部分的加工实物图。如图3(a)和图3(b)所示，步进电机运转时在去能够驱动在竖直面内的反射板前后移动，该移动能够改变介质层2和可调反射板3之间的空气层厚度。由于三根螺杆与可调反射板3固定，因此步进电机能够驱动反射板3向前向后双向位移。图3(c)中则是步进电机7，螺杆5和控制板8的实物图，控制板右侧的USB接口与计算机相连，整个智能表面单元就可以接收来自计算机的控制信号。
空气层厚度变化范围为1-15mm，在不同厚度的条件下，每个单元的电磁响应不同，本单元的设计目的在于在维持较高反射幅度的基础上，能够实现对反射的双极化电磁波360°的相位调控。基于以上的设计目的，我们采用商业仿真软件CST对单元结构进行仿真计算。在此单元的仿真边界条件x轴与y轴方向设置为周期性边界条件，z轴方向设置为开放边界条件。单元中的方形金属贴片材料设置为铜，其电导率为5.8×107S/m。介质层2的材料设置为F4B 材料(介电常数2.2，损耗正切0.001)，可调反射板3为表面覆铜的F4B(聚四氟乙烯)介质板，隔离单元之间传串扰的金属腔体4和固定步进电机的金属背板6材料设置为金属铝，电导率为3.56×107S/m。单元的结构周期p设置为128mm，总的厚度h2为20.5mm，每个小方形金属贴片1的边长p0为22mm，每两个小金属贴片之间的距离d为10mm，介质层2的厚度h0为2.5mm，金属腔体的厚度为3mm，在图2(a)中每个单元的内部结构图中体现为d0＝1.5mm。可调反射板3的厚度h1为1mm，与金属腔体4之间的间隙d0为0.5mm，目的是防止可调背板 4与金属腔体4之间卡死。金属背板6的厚度h2设置为2mm。图4中给出了在2.6GHz频点处智能表面单元随着空气层厚度变化的反射幅度和相位曲线。从图4(a)可以看出，随着空气层厚度的增加，智能表面单元能够在1-15mm的范围内实现360°的相位覆盖，同时图4(b)中也表明了线极化电磁波入射下，同极化反射幅度绝大多数都在0.97以上，能够始终保持高反射效率。由于本单元的电磁超表面结构针对x方向和y方向等效，因此该反射幅度相位曲线针对x极化电磁波和y极化电磁波入射同等有效。
在超表面的概念中，人们可以通过设置超表面阵列的相位分布来实现波束赋形等功能，从而提供更多调控电磁波的自由度。本发明基于此原理，实现了双波束夹角的扫描功能。当阵列的相位分布为均匀的0°和180°周期性切换的状态时(周期为T)，会激发出有一定的角度 (偏转角为θ)的对称双波束，其中偏转角可以通过计算公式θ＝arcsin(λ/T)求得。
本发明在此分别以“0°，180°，0°，180°”和“0°，0°，0°，0°，180°，180°，180°，180°”相位分布进行验证，如图5所示，两种情况下全波仿真得到的双波束的异常偏转角分别为±6°和±27°，与理论值吻合较好，证明了本发明实际应用的可靠性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种机械驱动的智能电磁超表面设计方法，其特征是，包括电磁超表面结构和机械驱动结构。所述的电磁超表面单元结构包含16个方形金属贴片1，介质层2，可调金属反射板3，以及隔离单元之间串扰的金属腔体4；机械驱动结构部分包括三根驱动可调金属背板的螺杆5，起固定作用的金属背板6，三个步进电机7以及控制板8。最上层金属贴片1结构贴在介质层2的上表面，介质层2与金属腔体4贴合。可调反射板3与三根螺杆5连接，确保能随着螺杆前后双向移动。三个步进电机7和控制板8固定在金属背板6上，计算机通过USB接口与控制板相连。计算机和控制板可实时输出不同的脉冲信号，控制可调反射板3沿Z轴方向前后移动，改变其与介质层2之间的空气层厚度，从而对反射电磁波进行动态的360度相位调控。
2.根据权利要求1所述的机械驱动的智能电磁超表面，其特征在于，所述的16个方形贴片1，材料为金属铜，均匀分布在介质层2的外侧表面，最外侧金属贴片距离单元边缘的距离为金属贴片之间距离的一半。
3.根据权利要求1所述的机械驱动的智能电磁超表面，其特征在于，所述介质层2材质为F4B，与金属腔体4贴合。
4.根据权利要求1所述的机械驱动的智能电磁超表面，其特征在于，所述的可调反射板3，由双面覆铜的F4B介质板构成。为了确保可调反射板能够在金属腔体4中移动，边缘与金属腔体4之间留有一定余量。
5.根据权利要求1所述的机械驱动的智能电磁超表面，其特征在于，所述的三根螺杆5，与可调反射板固定的三个位置呈正三角形分布，确保可调反射板在沿着Z轴移动的过程中始终保持在xy面内。
6.根据权利要求1所述的机械驱动的智能电磁超表面，其特征在于，所述的步进电机7通过齿轮结构与非共轴的螺杆相连接。
7.根据权利要求1所述的机械驱动的智能电磁超表面，其特征在于，每一个智能表面单元都可以从控制板单独接出引线连接到计算机上，从而智能表面阵列整体的相位分布可以快速地实时动态切换。
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| WO2024016258A1 (zh) * | 2022-07-21 | 2024-01-25 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种超表面装置及其制作方法、天线、通信设备 |
| WO2024098717A1 (zh) * | 2022-11-08 | 2024-05-16 | 华为技术有限公司 | 信号反射装置及通信*** |
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