[发明专利]一种用于无线通信的时域编码超表面

说明书

本发明公开了一种用于无线通信的时域编码超表面，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，由控制电路提供控制信号。本发明原理简单、成本低廉，具有很高的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及无线通信和新型人工电磁材料技术领域，尤其是一种用于无线通信的时域编码超表面。

背景技术

电磁波在入射到具有相位梯度分布的电磁表面时，将发生异常反射，可由此在亚波长尺寸上调控电磁波的散射方向、极化方向以及波前形状。通过引入可调技术，可以设计出能够实时控制电磁波的可调超表面。传统的可调超表面由于需要连续的相位梯度分布，因此馈电网络非常复杂，而编码超表面是由有限的超表面单元组成，可以在不太影响原有超表面性能的基础上大大简化馈电网络设计难度。传统编码超表面的控制信号都是静态的，或者以非常低的频率在改变，因此还是类比于传统可重构天线阵列。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于无线通信的时域编码超表面，原理简单、成本低廉，具有很高的工程应用价值。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于无线通信的时域编码超表面，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，由控制电路提供控制信号。

优选的，基本单元包括介质基板、金属贴片、变容二极管、金属背板、馈电网络和金属馈电通孔；金属贴片和变容二极管覆盖在介质基板上表面，金属背板和馈电网络覆盖在介质基板下表面，金属馈电通孔贯穿介质基板的上下表面。

优选的，控制电路具体为：一个基于FPGA的基带信号处理器，一个16位数模转换器和一个由运算放大器构成的电压放大电路；其中基于FPGA的基带信号处理器生成基带数字信号并将其传给16位数模转换器；16位数模转换器则将接收的基带数字信号转换为模拟输出电压，其范围为±1V；电压放大电路接收16位数模转换器输出的模拟电压后将其放大，其放大系数为12，因此模拟输出电压范围高达±12V，绝对值范围为24V。控制电路输出的模拟电压通过馈电网络加载到变容管，可以实时改变变容管的电参数，进而控制时域编码超表面的反射系数相位。整个控制电路通过基带信号处理器、数模转换器、电压放大器将基带数字信号转换为模拟电压，加载到基本单元上的变容二极管后，实现了控制时域编码超表面反射系数相位的目的，从而建立起基带数字信号和反射系数相位之间一一对应的关系，为基带信号星座点的选取奠定基础。

优选的，控制信号是基带数字信号经过转换而成的相应的模拟控制电压，通过馈电网络加载到基本单元上的变容二极管上，改变其电参数，进而控制时域编码超表面的反射系数相位，在经过单音载波照射后，其反射波的相位会根据时域编码超表面反射系数的相位发生改变，载波的相位与基带数字信号就建立起了一一对应的关系。实现了将基带数字信号调制到载波频率上的目的，而这期间不需要使用传统通信系统的射频电路模块，如混频器、滤波器等，大大简化了传统通信系统的架构。

本发明的有益效果为：(1)本发明原理简单，只需要改变控制信号的频率，控制电压的幅度，就可以实现对反射波相位的实时调控；(2)本发明利用将多个基本单元组成阵列，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元反射系数所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；(3)与传统通信系统相比，本发明仅通过高速动态变化的控制信号即可将基带数据信号调制到载波频率上，实现了无线通信功能。本发明不需要使用传统通信系统发射机架构中的上混频、滤波以及放大电路部分，大大简化了发射机架构，可以用于构建新体制通信系统，并可以缩短设计周期，降低设计难度，减少制造成本。

附图说明

图1(a)为本发明的基本单元结构示意图。

图1(b)为本发明的基本单元反射系数幅度随控制电压变化仿真结果示意图。

图2(a)为本发明在不同控制电压下超表面反射系数的幅度与相位测试结果示意图。