[发明专利]一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器

说明书

本发明公开一种基于可编程超表面的场模拟器，通过现场可编程阵列组成的硬件控制系统对由独立单元组成的可编程超表面反射阵调控，使每个单元呈现所需要的状态。当激励源照射到超表面反射阵上时，其反射波能够在目标电磁环境模拟区模拟出所需要的任意目标场，该任意目标场是单一平面波或是多个不同角度、幅度、相位的平面波所合成叠加波。通过对现场可编程阵列组成的硬件控制系统输入复振幅全息算法以及单元幅相配置后的计算结果后产生数字信号，通过可编程超表面反射阵制作出该任意目标场，并且该任意目标场可实时切换。本发明实现高质量任意电磁环境，以替代多路径目标产生和测试中需要的复杂多探头布局，应用于电磁测试中的场模拟仿真，通信天线电磁环境模拟及测量领域。

技术领域

本发明涉及电磁测试领域内的场模拟仿真，包括电磁环境或通信信道模拟，具体涉及一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器。主要应用于通信天线电磁环境模拟以及测量领域中。

背景技术

随着毫米波以及更高频段信号的使用，天线的工作频率越来越高，同时还需要使用大规模的MIMO阵列。而对于这样高性能高精度天线，除了成本问题以外，如何完成天线在实际环境下的测量工作也是巨大考验。现如今毫米波太赫兹频段的测量技术主要为空口(OTA)测试。在这之中对于不同的簇和不同的时延组合而成的复杂接收端信号，通常需要大量的设备和足够大的实验环境以及不同角度、不同时延的发射天线。这对建立系统和建立实验场地带来了巨大的挑战。为此需要更好的测试环境和更强大的管理功能。

超表面是一种亚波长结构的人工层状电磁材料，通过设计亚波长单元结构以及空间排布方式，能够灵活有效的调控电磁波。同时随着二极管等有源器件的加入，以及有源控制系统对超表面的编码，更提高了这种可编程超表面的灵活性和可控性。通过控制空间特定位置的电磁场特性，能够在测试系统集成化和简单化，测试场模拟等诸多方面实现改进及优化。由于这种可编程超表面在上述这些方面的优秀能力，使其在改进无线通信测试系统、毫米波测试、电磁环境或通信信道模拟这类问题中有巨大潜力和应用前景。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，利用可编程超表面这种可控、高度集成化且低成本的新一代电磁材料，实现不同角度多个平面波叠加后的波前重构以及任意场形态模拟；在保证系统不同功能实时动态切换的基础上，简化了系统体制，节约了系统成本。

本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案：一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，该模拟器由超表面反射阵及其激励源、现场可编程门阵列组成的硬件控制系统和目标电磁环境区组成，其中，所述的超表面反射阵为一平面阵列；所述的激励源，是单个点源；所述的硬件控制系统，是通过现场可编程门阵列FPGA电子设备对反射阵各个单元进行控制；所述的目标电磁环境区，是由馈源照射反射阵形成的任意波电磁场区域，用于雷达通信领域内的场模拟仿真测试以及电磁环境或通信信道模拟和测试；

进一步的，所述基于可编程超表面反射阵的场模拟器，由相同结构尺寸的单元在x和y二维方向上以单元边长为周期排列组成的阵列形式，所述单元包括一侧矩形上层金属结构(1-1)、另一侧矩形上层金属结构(1-2)，一侧矩形上层金属结构(1-1)、另一侧矩形上层金属结构(1-2)尺寸相同，在x方向镜像对称；所述单元包括多边形上层金属结构(1-3)、第一PIN二极管(2-1)焊接于一侧矩形上层金属结构(1-1)与多边形上层金属结构(1-3)之间，第二PIN二极管(2-2)焊接于另一侧矩形上层金属结构(1-2)另一侧矩形上层金属结构(1-1)另一侧矩形上层金属结构(1-2)与多边形上层金属结构(1-3)之间；所述单元包括第一层介质(3)、中层金属地板(4)、第二层介质(5)，下层金属背板(6)。

进一步的，所述周期排布单元结构是通过印刷电路板工艺制成。第一层介质基板材料为RT5870，第二层介质基板材料为RO4350。

所述周期排布单元结构由四种状态，即二极管处于“00/01/10/11”的四种状态是，单元反射相位差90°。