[发明专利]双极化3bit相位独立可调的可重构智能超表面单元

说明书

本发明公开了一种双极化3bit相位独立可调的可重构智能超表面单元，单元为四层结构，第二层和第三层是馈电层，第四层为金属地；第一层包括四个等腰直角三角形金属贴片，和四个十字形金属贴片，每个等腰直角三角形与其对应的十字形金属贴片通过变容管相连；四个等腰直角三角形金属贴片分别与一个金属过孔相连，x轴方向金属过孔与第二层馈电层相连，y轴方向金属过孔与第三层馈电层相连。通过调整两个正交极化方向上变容管两端的电压，使得该单元独立的在两个正交极化方向上，实现0～45°斜入射范围内的3bit相位调制，进而在两个极化方向解耦，分别实现波束扫描功能，且对电磁波入射角不敏感。

技术领域

本发明涉及一种可重构智能超表面单元。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，网络的信息传输速度达到了一个新的高峰，但问题也接踵而至。例如与4G相比，5G信号的穿透能力更弱，能量损耗更大。目前比较普遍的做法是建立超密集网络(UDN)来解决，通过部署更密集的基站(BS)或接入点(AP)来提高系统的吞吐量，但是这又伴随着更高的成本以及功耗，并且密集的基站还会加剧网络干扰等问题。因此，找到一种高效、可靠、低成本的信号传输方案势在必行。

在此背景下，可重构智能表面(RIS)被视作一项极具前景的技术。通常来说，信号经由发射机发射到接收机接收之间的传播过程是不可控的、随机性的，但是RIS技术的出现改变了这一局面。由于RIS可以调整每个单元的状态来控制反射电磁波，从而形成智能的电磁环境。这就减少了信号传播过程中由障碍物引起的复杂反射和衍射，进而使信号的传播在一定程度上可控。与传统的无线中继相比，RIS可以在不引入自干扰的情况下实现全双工的传输模式，且有成本低、轻薄、低能耗等特点，基于此特性RIS在无线通信中产生了广泛的应用，例如减小无线信道的多径效应、提高无线通信安全性和信道估计等。

RIS的主要硬件部分基于“超表面”的概念，具体来说，超表面是一种人工电磁材料，表面由大量低成本的亚波长金属及介质单元组成，有源超表面则进一步的在每个单元上都排布了有源单元，如pin二极管、变容管、MEMS开关等，通过调节这些有源单元的状态就可以根据实际需求使入射到RIS上反射的电磁波产生幅度或相位的变化，以一定的规律来调整这些单元的反射系数就可以达到波束赋形的目的，最终使得原本静态的通信环境变得动态、可控。

为了增加覆盖范围，移动通信基站大多应用双极化发射天线以改善性能，这就要求RIS也是双极化的，否则RIS极化方向与来波的极化方向不一致时就会发生极化损失即只能接收一个极化上的信号，此外RIS的极化还会影响到用户的接收天线对反射波的接收，如果RIS与用户的接收天线是单极化的，则只能在接收天线与RIS的极化方向一致时才能最大程度的收到信号，否则收到的信号能量将会大幅降低甚至在两者正交时无法接收。其次，RIS的斜入射稳定性也至关重要，当入射波并非垂直入射时，由于RIS单元内部往往存在空间色散，其相位响应对于来波的入射角极为敏感，如果不解决这一问题就会导致RIS在正入射下的编码无法在斜入射下正确的操控反射波束。此外，相位可调节的bit数决定了RIS性能，bit数越高，RIS对于电磁波的操控越精细。目前尚未出现可以同时满足以上几点的RIS单元设计，这无疑制约了RIS在通信系统中的进一步应用。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种对入射角不敏感的双极化3bit相位独立可调的可重构智能超表面单元。