[发明专利]一种测量二维波达方向角的智能超表面、系统及方法

说明书

本发明公开了一种测量二维波达方向角的智能超表面、系统及方法，所述超表面由金属贴片层，F4B介质层和金属背板层组成，共n*n个基本单元，每个单元都可以被周期性的控制电压独立控制。通过设计每个单元的控制电压信号，使每个单元的反射相位在空间中呈现周期且相互正交的相位变化，随后由一个辅助天线接收后进行信号处理，获得该智能超表面上的二维波达方向角度。本发明仅通过对超表面施加周期性的控制电压和一个接收天线实现了精确的二维波达方向角估计，相较于需要n²个射频前端的同规模的二维波达方向角估计的相控阵系统而言，其架构简易，大幅降低了硬件成本，便于集成化，可以使用在雷达、遥感、无线通信等多个领域，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种测量二维波达方向角的智能超表面、测量系统及方法，可以使用在雷达、遥感、无线通信等领域。

背景技术

二维波达方向角(DOA)测量技术作为雷达、遥感、无线通信的重要技术之一，得到了广泛的研究和应用。然而，目前大多数的DOA估计方法依赖于相控阵，而相控阵技术需要多个射频前端去接收电磁波，这无疑增加了其系统级应用的硬件成本，使得基于相控阵的DOA估计系统一直有着高成本、高功耗和高硬件复杂度的问题，阻碍了DOA估计系统的进一步普及。因此，有必要开发一种低成本、低硬件复杂度硬件设备及相关算法，去满足DOA技术在雷达、遥感、无线通信系统中的广泛应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种测量二维波达方向角的智能超表面、测量系统及测量方法，通过对超表面上的单元施加相互正交的时间编码序列并由辅助接收天线接收解调，它可以测量到达该智能超表面上的电磁波的二维入射角度，并且具有实时波束调控功能，可以解决传统DOA估计系统搞硬件复杂度、高成本和高功耗的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种测量二维波达方向角的智能超表面，包括：n*n个基本单元，每个单元包含三层结构：第一层为焊接有一个PIN二极管的中心对称金属贴片组成，第二层为介质基板，第三层为未刻蚀图案的全金属层；第一层的金属贴片到第三层全金属层由金属通孔相连，控制信号通过金属通孔从馈线传输到金属贴片上，通过控制二极管跨界的两个金属贴片的电压来控制二极管的通断。

其中，控制链路由现场可编程门阵列FPGA和数字I/O模块组成；数字I/O模块的每一个接口分别连接一个单元的控制信号链路，每个单元都可以由独立的周期性的控制信号控制。

其中，智能超表面的单元控制电压在0V和0.8V间切换的时候，单元的反射相位可以在4～5GHz的频段内产生180°左右的相位变化，且幅度基本保持不变。

其中，所属的每一个超表面单元分别受到周期且正交的编码电压调制，使其在空间中的反射相位产生周期且正交的连续切换，单元的时间编码互不影响。

进一步，基本单元的材质为单面敷有铜箔的聚四氟乙烯F4BM高频天线板，其介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。金属材料为铜，厚度均为0.018mm。

本发明还提供一种二维波达方向角测量系统，包括发射天线、时间调制模块、接收天线和数据处理模块；所述时间调制模块包括上述的智能超表面；当智能超表面被入射波照射时，智能超表面上的每个基本单元都对入射波进行周期性的时间调制，并将调制后的电磁波反射到自由空间中；放置在远场的接收天线接收到该反射信号，传送到数据处理模块进行解调、恢复出入射波在智能超表面上激励起的幅度和相位分布，进行二维波达角估计。

本发明还提供一种二维波达方向角测量方法，包括如下步骤：

步骤1：单音信号E_i＝e^j2πft以二维入射角θ_i和入射到该智能超表面上，f表示频率，其散射方向图如下所示：