CN117293557A - 反射式智能超表面单元、反射式智能超表面及通信设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例涉及移动通信领域，特别涉及一种反射式智能超表面单元、反射式智能超表面及通信设备，反射式智能超表面单元包括：第一反射电路层、第二反射电路层以及第一地板层，第一反射电路层和第二反射电路层耦合连接；介质层，介质层位于第一反射电路层以及第二反射电路层之间以及第二反射电路层与第一地板层之间；第一反射电路层包括第一金属贴片以及绕第一金属贴片设置的至少一个第二金属贴片、至少一个变容二极管，第一金属贴片通过变容二极管与第二金属贴片连接；第二反射电路层包括至少一个电容耦合结构，电容耦合结构至少部分位于第一金属贴片在第二反射电路层的正投影的外侧，有利于改善低剖面结构带来的品质因数的增加的问题。
Description
技术领域
本申请实施例涉及移动通信领域，特别涉及一种反射式智能超表面单元、反射式智能超表面及通信设备。
背景技术
可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)可以通过控制变容二极管、PIN开关、MEMS开关、液晶、石墨烯等的偏置电压，产生各电磁单元所需的电磁行为。RIS通过集成有源控制器，调控各电磁单元状态或电磁散射单元的电参数，形成特定的波束指向实现所需区域的信号补盲或增强，例如单波束反射、多波束反射、漫散射和透射等。RIS可将入射电磁波反射至另一特定区域实现信号覆盖，因此作为6G重要潜在技术之一受到业界重视。
反射式RIS通常可悬挂于建筑、墙体以及广告牌表面，实现基站非视距区域的信号增强。然而反射式RIS的安装环境要求极简的设备架构，以实现和控制电路的集成化设计，因此产生一系列问题，例如，低剖面结构带来的品质因数(Q值)的增加。
发明内容
本申请实施例的主要目的在于提出一种反射式智能超表面单元、反射式智能超表面及通信设备，至少有利于改善低剖面结构带来的品质因数的增加的问题，同时有利于实现反射单元的亚波长化。
为实现上述目的，本申请实施例提供一种反射式智能超表面单元，包括：第一反射电路层、第二反射电路层以及第一地板层，第一反射电路层设置在第二反射电路层上方，第二反射电路层设置在第一地板层上方，第一反射电路层和第二反射电路层耦合连接；介质层，介质层位于第一反射电路层以及第二反射电路层之间以及第二反射电路层与第一地板层之间；第一反射电路层包括第一金属贴片以及绕第一金属贴片设置的至少一个第二金属贴片、至少一个变容二极管，第一金属贴片通过变容二极管与第二金属贴片连接；第二反射电路层包括至少一个电容耦合结构，电容耦合结构至少部分位于第一金属贴片在第二反射电路层的正投影的外侧。
为实现上述目的，本申请实施例还提供一种反射式智能超表面，包括：超表面阵列，超表面阵列由多个如上述任一项的反射式智能超表面单元排列组成；控制接口，控制接口与每列串联连接的反射式智能超表面单元连接；或者，控制接口与每行串联连接的反射式智能超表面单元连接。
为实现上述目的，本申请实施例还提供一种通信设备，包括：上述任一项的反射式智能超表面。
本申请实施例提供的技术方案至少具有以下优点：
本申请实施例提供的技术方案中，在反射式RIS单元之间设计电容耦合结构，提升相邻单元间的容性耦合以及超表面等效介电常数，通过增强电容耦合可以增加反射单元电长度，即在工作频率不变的前提下缩小反射单元尺寸，从而实现亚波长化；而且，将具有谐振长度的电容耦合结构作为第二反射单元，第一反射电路层自身产生第一谐振模式，电容耦合结构可以引入更多高阶谐振模式，从而降低单元Q值，进而电容耦合结构带来的谐振模式导致的单元Q值的降低值可以抵消反射式RIS剖面厚度降低带来的Q值增加，实现反射式RIS低剖面化。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制；为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领缺普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的反射部的一种立体结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的偏置部的一种立体结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的反射式智能超表面单元的一种剖面结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的第一反射电路层的一种结构示意图；
图5为本申请一实施例提供的第一反射电路层的另一种结构示意图；
图6为本申请一实施例提供的第二反射电路层的一种结构示意图；
图7为本申请一实施例提供的第二反射电路层的另一种结构示意图；
图8为本申请一实施例提供的第二反射电路层的又一种结构示意图；
图9为本申请一实施例提供的偏置电路层的一种结构示意图；
图10为本申请一实施例提供的反射式智能超表面中第一反射电路层的一种结构示意图；
图11为本申请一实施例提供的反射式智能超表面中第二反射电路层的一种结构示意图；
图12为本申请一实施例提供的反射式智能超表面双比特状态下的相位响应的仿真曲线图；
图13为本申请一实施例提供的反射式智能超表面双比特状态下的幅度响应的仿真曲线图；
图14为本申请一实施例提供的反射式智能超表面双比特状态下的交叉极化抑制的仿真曲线图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术中反射式智能超表面存在由于低剖面结构带来的品质因数的增加的问题。
本申请实施例提供一种反射式智能超表面单元、反射式智能超表面及通信设备，在反射式RIS单元之间设计电容耦合结构，提升相邻单元间的容性耦合以及超表面等效介电常数，通过增强电容耦合可以增加反射单元电长度，即在工作频率不变的前提下缩小反射单元尺寸，从而实现亚波长化；而且，将具有谐振长度的电容耦合结构作为第二反射单元，第一反射电路层自身产生第一谐振模式，电容耦合结构可以引入更多高阶谐振模式，从而降低单元Q值，进而电容耦合结构带来的谐振模式导致的单元Q值的降低值可以抵消反射式RIS剖面厚度降低带来的Q值增加，实现反射式RIS低剖面化。
下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
图1为本申请一实施例提供的反射部的一种立体结构示意图；图2为本申请一实施例提供的偏置部的一种立体结构示意图；图3为本申请一实施例提供的反射式智能超表面单元的一种剖面结构示意图；图4为本申请一实施例提供的第一反射电路层的一种结构示意图；图5为本申请一实施例提供的第一反射电路层的另一种结构示意图；图6为本申请一实施例提供的第二反射电路层的一种结构示意图；图7为本申请一实施例提供的第二反射电路层的另一种结构示意图；图8为本申请一实施例提供的第二反射电路层的又一种结构示意图；图9为本申请一实施例提供的偏置电路层的一种结构示意图。
需要说明的是，为了便于显示第一反射电路层、第二反射电路层各元件的位置以及各元件的连接关系，图1的介质层为透视状态，即可以看见介质层内部的情况或者透过介质层看见位于介质层顶部或底部的情况。同理，图2的第一介电层以及第二介电层为透视状态，即可以看见第一介电层以及第二介电层内部的情况或者可以看见透过第一介电层以及第二介电层看见位于第一介电层以及第二介电层的情况。图3为图1以及图2沿A1-A2剖面的剖面结构示意图。为了表示反射式智能超表面单元各元件的连接关系，图3中的粗线条表示为反射式智能超表面单元各元件或各膜层，细线条所围成的区域表示为介质层、第一介电层以及第二介电层。
参考图1至图9，本申请实施例提供一种反射式智能超表面单元，包括：第一反射电路层11、第二反射电路层12以及第一地板层13，第一反射电路层11设置在第二反射电路层12上方，第二反射电路层12设置在第一地板层13上方，第一反射电路层11和第二反射电路层12耦合连接；介质层10，介质层10位于第一反射电路层11与第二反射电路层12之间以及第二反射电路层12与第一地板层13之间；第一反射电路层11包括第一金属贴片111以及绕第一金属贴片111设置的至少一个第二金属贴片112、至少一个变容二极管113，第一金属贴片111通过变容二极管113与第二金属贴片112连接；第二反射电路层12包括至少一个电容耦合结构120，电容耦合结构120至少部分位于第一金属贴片111在第二反射电路层12的正投影的外侧，例如如图1所示电容耦合结构120的全部均位于第一金属贴片111在第二反射电路层12的正投影的外侧。在另一些实施例中，电容耦合结构120的一部分位于第一金属贴片111在第二反射电路层12的正投影内，电容耦合结构120的另一部分位于第一金属贴片111在第二反射电路层12的正投影外侧。
反射式智能超表面一般放置在基站和用户之间，或者发送方和接收方之间。在一些实施例中，反射式智能超表面单元包括相连接的反射部1和偏置部2，反射部1主要用于实现对入射信号的反射处理，反射处理包括对入射信号进行相位或/和幅度的改变，使用户更好的接收基站发送的信号；偏置部2的另一端与控制接口连接，为反射部1提供偏置电压，调控反射部1的各元件形成特定的波束。
在一些实施例中，第一反射电路层11、第二反射电路层12、介质层10以及第一地板层13共同构成反射部1。第一反射电路层11位于反射式智能超表面的顶部；第一金属贴片111的形状可以任意形状，例如十字形金属贴片、圆形金属贴片、三角形金属贴片或者矩形金属贴片等；第一金属贴片111的材料可以为铜、银或者金；第一金属贴片111的宽度、厚度以及尺寸可以为任意值，可以根据反射式智能超表面的实际需交对应设计，一般薄的金属贴片便于制造，厚的金属贴片易于焊接。第二金属贴片112的形状可以为任意形状；第二金属贴片112的宽度、厚度以及尺寸可以为任意值；第二金属贴片112的材料可以与第一金属贴片的材料相同或者不同。变容二极管113主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等。
在一些实施例中，第二金属贴片112的数量可以为1个，具体可以为环绕第一金属贴片111的环状结构。可以理解的是，变容二极管113用于连接第一金属贴片111以及第二金属贴片112，变容二极管113的数量应与第二金属贴片112的数量一一对应。例如，第二金属贴片112的数量为3个，那么变容二极管113的数量为3个。
在一些实施例中，绕第一金属贴片111设置的第二金属贴片112的数量至少为两个，且第二金属贴片112旋转对称，如此，在入射面内的水平方向和垂直方向形成非对称排列，有效提高了电磁交叉耦合作用，实现了多谐振极化的效果。设第二金属贴片112的数量为n，则任一第二金属贴片112绕第一金属贴片111旋转360°/n与相邻的第二金属贴片112重叠。在一个具体的例子中，第一金属贴片111周围设置四个第二金属贴片112，第二金属贴片112绕第一金属贴片111旋转90°与相邻的第二金属贴片112重叠。在另一个具体的例子中，第一金属贴片111周围设置三个第二金属贴片112，第二金属贴片112绕第一金属贴片111旋转120°与相邻的第二金属贴片112重叠。
在一些实施例中，第二金属贴片112内具有谐振槽114。在另一些实施例中，第一反射电路层包括至少两个第二金属贴片，位于不同的第二金属贴片112的谐振槽114旋转对称。每一谐振槽114的电长度为1/8N～1/4N，其中，N为工作频率在介质层的波长，调节谐振槽114电长度可以控制第二谐振模式频率，使第二谐振模式的频率落在反射式智能超表面工作频带内，可以增加反射式智能超表面工作频带的带宽，有利于减小品质因数，以谐振槽114减小的品质因数的数值抵消反射式RIS剖面厚度降低所增加的品质因数的数值，从而实现反射式智能超表面的低剖面化。在一些实施例中，谐振槽114是可以产生谐振态的槽线，谐振槽114的形状可以为任意形状，例如环形、三角相、矩形或者圆形；谐振槽114可以位于每一个第二金属贴片112上，即每一个第二金属贴片112上均具有谐振槽114，在同一第二金属贴片112上，谐振槽114的数量可以为任意值，例如3条、5条、7条或者10条。例如，在同一第二金属贴片112上，谐振槽114的数量包括1条～4条。在另一些实施例上，谐振槽114可以位于部分第二金属贴片112上，即部分第二金属贴片112上具有谐振槽114，部分第二金属贴片112上没有谐振槽114。
在一些实施例中，参考图4，谐振槽114包括相连通的第一子谐振槽115以及第二子谐振槽116，第一子谐振槽115的长边延伸方向与第二子谐振槽116的长边延伸方向相交。具体地，第一子谐振槽115的长边延伸方向与第二子谐振槽116的长边延伸方向垂直，第一子谐振槽115与第二子谐振槽116的连接处进行弯折处理。在保证谐振槽114的电长度不变的情况下，对谐振槽114作弯折化设计以缩小尺寸，实现反射式智能超表面单元小型化。同理，参考图5，可以通过对谐振槽114进行卷曲设计，增加谐振槽114的周长，降低谐振频率。谐振槽114还包括第三子谐振槽117以及第四子谐振槽118，第三子谐振槽117位于第二子谐振槽116远离第一子谐振槽115的一端，第三子谐振槽117以及第四子谐振槽118与第二子谐振槽116相连通，且第三子谐振槽117的长边延伸方向与第二子谐振槽116的长边延伸方向相交。
第二反射电路层12包括电容耦合结构120，电容耦合结构120位于第一金属贴片111在第二反射电路层12的正投影的外侧。在反射式RIS单元之间设计电容耦合结构120，提升相邻单元间的容性耦合以及超表面等效介电常数，通过增强电容耦合可以增加反射单元电长度，即在工作频率不变的前提下缩小反射单元尺寸，从而实现亚波长化；而且，将具有谐振长度的电容耦合结构120作为第二反射单元，可以引入更多高阶谐振模式，降低单元Q值，可以进一步抵消反射式RIS剖面厚度降低带来的Q值增加，实现反射式RIS低剖面化。
在一些实施例中，电容耦合结构120的数量为1个，则电容耦合结构120中的电容耦合片的形状可以为环形，电容耦合片围绕第一金属贴片111在第二反射电路层12的正投影的外侧设置，保证电容耦合片的每个单元到第一金属贴片111的单元间距相同。在另一些实施例中，电容耦合片的至少部分位于第一金属贴片111在第二反射电路层12的正投影的外侧，电容耦合片的形状为任意形状，仅需保证电容耦合片的每个单元到第一金属贴片111的单元间距相同。
在另一些实施例中，第二反射电路层12包括至少两个电容耦合结构120，电容耦合结构120旋转对称。具体地，设电容耦合结构120的数量为m，m为大于等于2的正整数，则任一电容耦合结构120绕第一金属贴片111旋转360°/m与相邻的电容耦合结构120重叠。在一个具体的例子中，电容耦合结构120的数量为4个，电容耦合结构旋转90°与相邻的电容耦合结构重叠。
在一些实施例中，电容耦合结构120包括多个电容耦合片，每一电容耦合片电长度为1/8M～1/4M，其中，M为工作频率在介质层10的波长。调节电容耦合片电长度可以控制第三谐振模式频率，并使之落在反射式RIS工作频带内，起到减小Q值的作用。电容耦合片可以包括提供电容耦合和谐振态的任意金属贴片；电容耦合片的形状可以为任意形状，例如环形、三角相、矩形或者圆形；电容耦合片的数量为K，K可以为任意值，例如3片、5片、7片或者10片。进一步地，电容耦合片的数量K满足10≥K≥1。
在一些实施例中，电容耦合片的数量为3片，电容耦合结构120包括沿平行于第一地板层13表面方向依次设置的第一电容耦合片121、第二电容耦合片122以及第三电容耦合片123；第三电容耦合片123与第二电容耦合片122之间的间距小于等于第二电容耦合片122与第一电容耦合片121之间的间距。本申请实施例可以通过调节第一电容耦合片121、第二电容耦合片122以及第三电容耦合片123之间间距增强相邻电容耦合片之间耦合效应，降低等效介电常数，从而缩短反射式RIS单元本身尺寸和相邻反射式RIS单元的间距，在工作频率不变的前提下缩小反射单元尺寸，实现亚波长化。其中，第一电容耦合片121与第二电容耦合片122之间的间距、第二电容耦合片122与第三电容耦合片123之间的间距与相邻电容耦合片之间的耦合极性成反比。第一电容耦合片121的长度小于等于第二电容耦合片122的长度；第二电容耦合片122的长度小于等于第三电容耦合片123的长度。上述第一电容耦合片121的长度实际为第一电容耦合片121的电长度，第二电容耦合片122的长度实际为第二电容耦合片122的电长度，第三电容耦合片123的长度实际为第三电容耦合片123的电长度。同理，本申请实施例可以通过调节第一电容耦合片121、第二电容耦合片122以及第三电容耦合片123的尺寸增强相邻电容耦合片之间耦合，实现亚波长化。其中，第一电容耦合片121、第二电容耦合片122以及第三电容耦合片123的尺寸与相邻电容耦合片之间的耦合极性成正比。
在一些实施例中，介质层10还位于相邻的电容耦合片之间；沿垂直第一地板层13的方向上，电容耦合片所处平面与相邻的电容耦合片所处平面重合，具体地，第一电容耦合片121、第二电容耦合片122以及第三电容耦合片123处于同一个平面。在另一些实施例中，对电容耦合结构进行交指设计，沿垂直第一地板层13的方向上，第一电容耦合片121、第二电容耦合片122以及第三电容耦合片123分别处于不同平面，且第一电容耦合片121、第二电容耦合片122以及第三电容耦合片123相互嵌套，一方面可以增强了电容耦合片之间的耦合效应，实现亚波长化；另一方面，可以通过调节第一电容耦合片121、第二电容耦合片122以及第三电容耦合片123与第一反射电路层11的距离增强相邻电容耦合片之间耦合，实现亚波长化。其中，第一电容耦合片121、第二电容耦合片122以及第三电容耦合片123的距离与相邻容耦合片之间的耦合极性成正比。
在另一些实施例中，参考图7，电容耦合片的数量为2片，具体地，电容耦合结构120包括沿平行于第一地板层表面方向依次设置的第一电容耦合片121、第二电容耦合片122；在又一些实施例中，参考图8，电容耦合片的数量为1片，即电容耦合结构120仅包括第一电容耦合片121。
在一些实施例中，第一电容耦合片121包括第一部131以及第二部132，第一部131的长边延伸方向与第二部132的长边延伸方向相交。第一部131的长边延伸方向与第二部132的长边延伸方向垂直，在保证电容耦合片的电长度不变的情况下，对电容耦合片作弯折化设计以缩小尺寸，实现反射式RIS单元小型化。同理，参考图7，可以通过对电容耦合片的卷曲设计，增加谐振槽的周长，降低谐振频率。第一电容耦合片还包括第三部133，第三部133位于第二部132远离第一部131的一端，第三部133与第二部132相连通，且第三部133的长边延伸方向与第二部132的长边延伸方向相交。
介质层10的介电常数较低，可以增加产生辐射的边缘场，在一定程度上可以增加带宽，然而介质层10在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，所以介质层10可以为介电常数较大且和损耗角正切低的介质。介质层10的厚度增加，工作频带的带宽对应增加，但同时信号波段的损耗会增加，效率也会减少，介质层10的厚度也需要综合考虑带宽和效率。介质层10可以为单层结构或者叠层结构。在一些实施例中，介质层10的介电常数K可以为3.0～3.8；具体地，K可以为3.20、3.30、3.46、3.59或者3.68。介质层10的厚度10λ0～5λ0，λ0为中心频率的自由空间波长。在一个具体的例子中，介质层10的厚度为0.5mm，介质层10为介电常数为3.4的RO4003。第一地板层13，第一地板层13与大地连接。第一地板层13的厚度可以为任意值。
在一些实施例中，偏置部2位于第一地板层13远离介质层10的一侧，偏置部2包括由上至下依次设置的第一介电层201、偏置电路层21、第二介电层202以及第二地板层22。偏置电路层21包括2条偏置电路线212以及2个扇形枝节211构成。偏置电路线212将同极化的2个第二连接结构102连接实现电压同步控制。扇形枝节211与偏置电路线212连接起到并联短路的作用。
在一些实施例中，反射式智能超表面单元还包括：第一连接结构101以及第二连接结构102，第一连接结构101的一端与第一金属贴片111连接，第一连接结构的另一端与第一地板层13连接；第二金属贴片101通过第二连接结构102与偏置电路层21连接。
在一些实施例中，第一介电层201与第二介电层202可以为同一介电层20。介电层20可以与介质层10的材料相同或者介电常数相同，介电层20的厚度可以为任意值。第二地板层22，第二地板层22与大地连接。第二地板层22的厚度可以为任意值。在另一些实施例中，第一介电层201、第二介电层202的材料不同，厚度也不相同。
在一些实施例中，反射式智能超表面单元的长度、宽度、厚度分别为0.25λ0、0.25λ0、0.015λ0，λ0为中心频率的自由空间波长，反射式智能超表面单元的反射效率大于-3dB，反射式智能超表面单元可以支持双极化电磁波双比特相位控制，即每个反射式智能超表面单元可以在第一极化方向和第二极化方向分别包括“0”和“1”两种数字状态，且数字状态独立可调。因此，当控制接口提供相应的控制信号，通过独立控制反射式智能超表面单元在第一极化方向和第二极化方向的“0”和“1”数字状态，超表面单元所组成的超表面可以生成多个编码图案，通过动态地为切换编码图案，实时独立调控第一极化方向和第二极化方向电磁波，形成特定的波束指向实现所需区域的信号补盲或增强，例如单波束反射、多波束反射、漫散射和透射等。
可以理解的是，反射式智能超表面单元的长度、宽度、厚度分别为0.25λ0、0.25λ0、0.015λ0仅为示例说明，反射式智能超表面单元的长度、宽度、厚度可以根据应用场景、应用对象的不同对应设计。
本申请实施例提供一种反射式智能超表面单元，在反射式RIS单元之间设计电容耦合结构120，提升相邻单元间的容性耦合以及超表面等效介电常数，通过增强电容耦合可以增加反射单元电长度，即在工作频率不变的前提下缩小反射单元尺寸，从而实现亚波长化；而且，将具有谐振长度的电容耦合结构120作为第二反射单元12，第一反射电路层11自身产生第一谐振模式，电容耦合结构120可以引入更多高阶谐振模式，降低单元Q值，电容耦合结构120降低的单元Q值可以抵消反射式RIS剖面厚度降低带来的Q值增加，实现反射式RIS低剖面化。
此外，利用腔模谐振原理，在形成反射式智能超表面的反射电路层中的第二金属贴片112内形成谐振槽114，利用谐振槽114的特性来降低品质因数。刻蚀在第二金属贴片112的谐振槽可以产生第二谐振模式。通过调节谐振槽114电长度控制第二谐振模式的频率大小，使第二谐振模式的频率落在反射式智能超表面工作频带内，可以增加反射式智能超表面工作频带的带宽，有利于减小品质因数，以谐振槽减小的品质因数的数值抵消反射式RIS剖面厚度降低所增加的品质因数的数值，从而进一步实现反射式RIS低剖面化。
图10为本申请一实施例提供的反射式智能超表面中第一反射电路层的一种结构示意图；
图11为本申请一实施例提供的反射式智能超表面中第二反射电路层的一种结构示意图。
相应地，参考图10或图11，本申请实施例另一方面提供一种反射式智能超表面，包括：超表面阵列，超表面阵列由多个如上述实施例任一项的反射式智能超表面单元排列组成；控制接口30，控制接口30与每列串联连接的反射式智能超表面单元连接；或者，控制接口30与每行串联连接的反射式智能超表面单元连接。
本申请一些实施例所提供的反射式智能超表面的应用场景或应用对象可以包括室内外无线通信或信号无源中继的微波通信天线，其中，微波是频率范围300MHz～3THz的电磁波(1THz＝1000GHz)。反射式智能超表面的应用场景或应用对象可以还包括宏基站、微基站或者微微基站等无线电台站的电磁反射装置。其中，宏基站是指通信运营商的无线信号发射基站，宏基站覆盖距离大，一般在35Km，全向覆盖，功率较大；微基站用于城市内，覆盖距离小，一般1-2km，定向覆盖；微微基站多用于市区热点补盲覆盖，一般发射功率很小，覆盖距离500m或更小。
在一些实施例中，反射式智能超表面为2.6GHz频段下的动态双极化+双比特的反射式智能超表面；在另一些实施例中，反射式智能超表面为3.6GHz频段下的动态双极化+双比特的反射式智能超表面。
可以理解的是，上述反射式智能超表面为2.6GHz频段下的动态双极化+双比特的反射式智能超表面、3.6GHz频段下的动态双极化+双比特的反射式智能超表面仅为示例说明，反射式智能超表面可以为3.3GHz、4.6GHz、4.9GHz以及毫米波等任意频段；反射电磁波相位状态数量为任意比特，例如单比特、双比特或者多比特；反射波极化特性可以为单极化、双极化或者多极化。
在一些实施例中，超表面阵列由多个反射式智能超表面单元按照10×10的陈列排列组成；控制接口30包括第一控制接口31以及第二控制接口32，第一控制接口31与每行串联连接的反射式智能超表面单元连接，第二控制接口32与每列串联连接的反射式智能超表面单元连接。具体地，第一控制接口31与每行串联连接的反射式智能超表面单元中的偏置电路层连接，第二控制接口32与每列串联连接的反射式智能超表面单元中的偏置电路层连接。第一控制接口31以及第二控制接口32可以分别独立控制，即第一控制接口31可以提供第一偏置电压，第二控制接口32可以提供第二偏置电压，然后分别控制每行或者每列的反射式智能超表面单元。
图12为本申请一实施例提供的反射式智能超表面双比特状态下的相位响应的仿真曲线图；图13为本申请一实施例提供的反射式智能超表面双比特状态下的幅度响应的仿真曲线图；图14为本申请一实施例提供的反射式智能超表面双比特状态下的交叉极化抑制的仿真曲线图。
参考图12至13，得到对于每一个反射式智能超表面单元在垂直入射的电磁波的照射下产生的4种数字态响应；通过控制反射式智能超表面单元的变容二极管的开或者关，实现对反射相位的调制；通过排列不同的编码序列，实现了对散射场的灵活控制。具体地，反射式智能超表面单元的“00”、“01”、“10”以及“11”4种数字态响应在2.6GHz频段下归一化反射相位分别为120°、30°、-60°以及-150°，相位4种数字态响应在2.6GHz频段下的归一化反射幅度分别为-0.6dB、-2.25dB、-1.25dB以及-0.2dB；4种数字态响应在2.6GHz频段下的极化分量分别为-80dB、-50dB、-54dB以及-44dB。其中，“00”表示第一极化方向为“0”数字状态，第二极化方向为“0”数字状态；“01”表示为第一极化方向为“0”数字状态，第二极化方向为“1”数字状态；“10”表示第一极化方向为“1”数字状态，第二极化方向为“0”数字状态；“11”表示第一极化方向为“1”数字状态，第二极化方向为“1”数字状态。
本申请实施例提出的低剖面小型化智能反射式超表面剖面高度仅0.015λ，单元尺寸0.25λ，支持双极化多比特反射相位且反射效率大于50％。
本申请实施例的又一方面提供一种通信设备，包括如上述实施例任一项的反射式智能超表面。通信设备可以为任何包括反射式智能超表面的通信设备，例如雷达、天线、基站或者移动通信设备等。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。
Claims (18)
1.一种反射式智能超表面单元，其特征在于，包括：
第一反射电路层、第二反射电路层以及第一地板层，所述第一反射电路层设置在所述第二反射电路层上方，第二反射电路层设置在第一地板层上方，第一反射电路层和第二反射电路层耦合连接；
介质层，所述介质层位于所述第一反射电路层以及第二反射电路层之间以及第二反射电路层与第一地板层之间；所述第一反射电路层包括第一金属贴片以及绕所述第一金属贴片设置的至少一个第二金属贴片、至少一个变容二极管，所述第一金属贴片通过所述变容二极管与所述第二金属贴片连接；
第二反射电路层包括至少一个电容耦合结构，所述电容耦合结构至少部分位于所述第一金属贴片在所述第二反射电路层的正投影的外侧。
2.根据权利要求1所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述第二反射电路层包括至少两个所述电容耦合结构，所述电容耦合结构旋转对称。
3.根据权利要求1或2所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述电容耦合结构包括多个电容耦合片，每一所述电容耦合片电长度为1/8M～1/4M，其中，M为工作频率在所述介质层的波长。
4.根据权利要求3所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述电容耦合片的数量为K，10≥K≥1。
5.根据权利要求3所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述介质层还位于相邻的电容耦合片之间；沿垂直所述第一地板层的方向上，所述电容耦合片所处平面与相邻的所述电容耦合片所处平面重合。
6.根据权利要求3所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述电容耦合片包括第一部以及第二部，所述第一部的长边延伸方向与所述第二部的长边延伸方向相交。
7.根据权利要求3所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述电容耦合片的数量为3，所述电容耦合结构包括沿平行于所述第一地板层表面方向依次设置的第一电容耦合片、第二电容耦合片以及第三电容耦合片；所述第三电容耦合片与所述第二电容耦合片之间的间距小于等于所述第二电容耦合片与所述第一电容耦合片之间的间距。
8.根据权利要求7所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述第一电容耦合片的长度小于等于所述第二电容耦合片的长度；所述第二电容耦合片的长度小于等于所述第三电容耦合片的长度。
9.根据权利要求1所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，至少一个所述第二金属贴片内具有谐振槽。
10.根据权利要求9所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述第一反射电路层包括至少两个所述第二金属贴片，位于不同的所述第二金属贴片的所述谐振槽旋转对称。
11.根据权利要求9或10所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，每一所述谐振槽的电长度为1/8N～1/4N，其中，N为工作频率在所述介质层的波长。
12.根据权利要求11所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述谐振槽包括相连通的第一子谐振槽以及第二子谐振槽，所述第一子谐振槽的长边延伸方向与所述第二子谐振槽的长边延伸方向相交。
13.根据权利要求12所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，所述谐振槽还包括第三子谐振槽，所述第三子谐振槽位于所述第二子谐振槽远离所述第一子谐振槽的一端，所述第三子谐振槽与所述第二子谐振槽相连通，且所述第三子谐振槽的长边延伸方向与所述第二子谐振槽的长边延伸方向相交。
14.根据权利要求9或10所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，在同一所述第二金属贴片上，所述谐振槽的数量包括1条～4条。
15.根据权利要求1所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，第一反射电路层、第二反射电路层、介质层以及第一地板层共同构成反射部；还包括：偏置部，所述偏置部位于所述第一地板层远离所述介质层的一侧，所述偏置部包括由上至下依次设置的第一介电层、偏置电路层、第二介电层以及第二地板层。
16.根据权利要求15所述的反射式智能超表面单元，其特征在于，还包括：第一连接结构以及第二连接结构，所述第一连接结构的一端与所述第一金属贴片连接，所述第一连接结构的另一端与所述第一地板层连接；所述第二金属贴片通过第二连接结构与所述偏置电路层连接。
17.一种反射式智能超表面，其特征在于，包括：
超表面阵列，所述超表面阵列由多个如权利要求1～16任一项所述的反射式智能超表面单元排列组成；
控制接口，所述控制接口与每列串联连接的反射式智能超表面单元连接；或者，所述控制接口与每行串联连接的反射式智能超表面单元连接。
18.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求17所述的反射式智能超表面。
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