[发明专利]一种双线极化独立控制的反射超表面及天线

说明书

本发明公开了一种双线极化独立控制的反射超表面及天线，通过单层印制电路板(PCB)工艺实现。本发明利用1比特相位补偿，设计了一种单层结构、宽带工作、极化独立控制的反射单元。1比特单元包括金属地和加载十字缝的方形贴片，利用两对小金属贴片分别控制水平极化和垂直极化的1比特相位补偿的两种状态，实现高隔离度的双极化独立控制。利用该1比特单元的相位补偿，可以独立地控制水平极化和垂直极化的入射波反射指向不同方向，从而实现双极化独立控制的1比特反射阵天线。本发明的单层结构单元可以通过PCB工艺实现，具有宽带特性、可重构潜力，利用该单元设计的反射超表面及天线，具有双极化独立控制的能力、可重构潜力、工程易实现等优点。

技术领域

本发明基于目前应用广泛的1比特相位补偿反射超表面，提出了一种宽带双线极化独立控制的1比特反射单元，给出了一种可以独立控制水平极化和垂直极化电磁波的反射超表面及天线的设计和实现方法，属于反射超表面和天线技术领域。

背景技术

为了实现对电磁波的调控，可以对特定模式和频率电磁波进行调控的反射超表面近年来被广泛和深入地研究。由于结构简单、易于设计、只有两种相位补偿状态，1比特相位补偿的反射超表面被广泛地应用于电磁波传播控制和反射阵天线的设计。同时，由于卫星通信和5G毫米波通信的需求，可以对水平极化和垂直极化电磁波进行独立控制的双线极化反射超表面也成为近年来研究的热点。

常见的实现双线极化独立控制的方法有，多层结构的偶极子、多层结构的贴片、单层结构的贴片加载延时线。多层结构的偶极子和多层结构的贴片通过变化两个不同的尺寸参数实现双极化的相位补偿，且多层结构可以保证反射单元的工作带宽。加载延时线的方形贴片虽然带宽相对较窄，但较容易实现可重构的性能。此外，利用几何相位和传播相位，可以实现宽频带工作的双圆极化独立控制反射单元，但该方法不适用于线极化单元的设计。

为了实现宽的工作带宽，即在宽频段范围内实现稳定的相位补偿，常用多层结构设计反射单元。由于多层结构在设计加工中复杂度较高，不利于实际加工应用，故本设计的一大难点在于单层结构宽带反射单元的实现；另外，实现双线极化独立控制，即对水平极化和垂直极化电磁波进行独立的控制，是设计双线极化反射超表面的另一设计难点。

发明内容

发明目的：本发明目的在于给出一种可以对水平极化和垂直极化独立控制的单层PCB工艺可以实现的1比特反射单元和反射超表面。该反射单元具有结构简单，宽频段工作的优势。该单元设计的反射超表面和双极化喇叭天线，组成了双极化独立控制的反射阵天线。该反射阵天线可以将水平和垂直极化的电磁波反射到不同的方向，实现双极化独立控制的效果。

技术方案：本发明所述的一种双线极化独立控制的反射超表面，通过双线极化独立控制反射单元提供1比特的相位补偿，实现对水平极化和垂直极化入射的电磁波的控制。

所述的反射超表面的1比特单元包括：金属地，介质和加载十字缝的方形贴片，通过两对矩形贴片分别控制水平方向和垂直方向上被十字缝切割的方形贴片的连接，实现水平极化和垂直极化1比特两个状态之间的切换；对于水平极化的电磁波，当被十字缝切割的方形贴片在水平方向不连通时，1比特单元为状态0，当被十字缝切割的方形贴片在水平方向连通时，1比特单元为状态1；对于垂直极化的电磁波，当被十字缝切割的方形贴片在垂直方向不连通时，1比特单元为状态0，当被十字缝切割的方形贴片在垂直方向连通时，1比特单元为状态1。

1比特单元的状态0利用磁谐振结构实现0°的反射相位，状态1利用电谐振实现180°的反射相位，故通过合理的设计，单元可以在状态切换时实现约180°的反射相位差。仿真的单元交叉极化低于-30dB，在对控制水平极化的电磁波进行相位补偿，即单元状态在水平方向上切换时，单元对于垂直极化波的相位补偿几乎不会产生影响。对垂直极化的电磁波进行控制时，即单元状态在垂直方向上切换时，单元对水平极化波的相位补偿几乎不会产生影响。