[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

权利要求书

1.一种测量波达方向角的智能超表面，其特征在于：该智能超表面包括n*n个基本单元，每个基本单元包含三层结构：第一层为焊接有一个PIN二极管的两片中心对称的金属贴片组成，第二层为介质基板层，第三层为未刻蚀团的全金属层；第一层的金属贴片到第三层全金属层由金属通孔相连；第一层的每个金属贴片都由一个金属通孔贯穿连接到控制信号链路上；整个超表面共2*n*n个控制信号链路，每个单元都由周期性的控制电压独立控制。

2.根据权利要求1所述的测量波达方向角的智能超表面，其特征在于：所述的智能超表面的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。

3.根据权利要求1所述的测量波达方向角的智能超表面，其特征在于：所述的智能超表面的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基本单元的控制信号链路，这样每个基本单元都由独立的周期性的控制信号控制。

4.根据权利要求1所述的测量波达方向角的智能超表面，其特征在于：所述的智能超表面的基本单元的控制电压在0V和0.8V间切换的时候，基本单元的反射相位在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。

5.根据权利要求1所述的测量波达方向角的智能超表面，其特征在于：每一个基本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，单元的时间编码是互不相同的。

6.一种二维波达方向角测量系统，其特征在于，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权利要求1-5任一所述的智能超表面；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。

7.基于权利要求6所述系统的一种二维波达方向角测量方法，其特征在于，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：

其中，是第m行，第n列的基本单元在θ和方向上的散射方向图，Γ_mn(t)是t时刻下所对应的第m行，第n列的基本单元的反射系数，其值对应着n²阶哈达玛矩阵的第m*n行的值；

步骤2：经过各基本单元时间调制后，超表面入射波的幅度和相位分布被调制成交织时变信号，由接收天线在入角θ和处接收到，t时刻下所接收到的信号为经过n²次以T₀为间隔采样后，接收信号表示为如下矩阵形式：

其中矩阵A是一个n阶方阵，对应的是整个超表面上每一个基本单元的幅度和相信息，在上式中为满足矩阵运算，被压缩为一维向量Γ是一个n²阶方阵，对应的值为超表面调制端时变反射系数所对应的n阶哈达玛矩阵；

步骤3：利用波达角度估计算法计算超表面的波达方向角度值。