一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面制造技术

本发明专利技术提出了一种C波段具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面，所述超表面依次包括金属贴片层，F4B介质层，金属缝隙层，Ro4350B介质层，微带电路层，空气介质层和金属背板层。本发明专利技术的技术方案是通过金属贴片层接收电磁波辐射，经过金属缝隙层将能量耦合到微带电路层，经过放大器的放大后，能量又通过微带电路层重新耦合到金属缝隙层，并最终通过金属贴片层再次辐射出去，从而可以在C波段内实现电磁波的反射式放大。本发明专利技术的技术方案可以大幅度提高室外通信信号的强度和覆盖范围，从而有效地提高通信质量。地提高通信质量。地提高通信质量。

【技术实现步骤摘要】
一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面


[0001]本专利技术涉及一种基于可加载放大器的宽带反射型智能超表面结构的电磁波放大技术，属于通信和新型人工电磁材料领域。

技术介绍

[0002]随着物联网技术的快速发展，无处不在的无线连接将成为现实，这对第六代移动通信系统的系统容量提出了更高的要求。现有的技术，例如超密集组网、毫米波通信技术等，由于需要更多的基站以及更高的射频频率，这将需要更大的硬件开支、更高的维护成本、更复杂的信号处理和更多能耗。基于此，智能超表面凭借其独特的低成本、低能耗和高可靠性的特点而得到了广泛的关注。
[0003]智能超表面是一种人工电磁表面结构，它由大量精心设计的可调谐电磁单元排列而成，可以实现对空间电磁波的智能调控，形成幅度、相位、极化和频率可调谐的电磁场。智能超表面可以被布置在室外或者室内环境，结合已有的收发机来实现对无线信道的联合优化，从而实现对无线信道环境的重塑，实现信噪比提高，信号覆盖范围增强等功能。
[0004]但是目前基于智能超表面的系统大多数都依靠智能超表面对电磁波的幅度和相位的调控能力来实现所需功能，而很少考虑实现对电磁信号的放大，这就大大地限制了其作用。因为在实际的应用中，基于智能超表面的通信路径往往比正常的通信路径更长，这就导致了更多的信号损耗。为了解决这个问题，人们通常会采用更大的智能超表面阵列来提高信号强度，但是这又导致了更高的硬件成本。
[0005]根据论文《ControllableReflection
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enhancementMetasurfacesviaAmplification ExcitationofTransistorCircuit》提出的具有放大功能的智能超表面可以实现电磁信号的放大功能，但是其存在以下技术缺点：
[0006]1.该论文中所提出的智能超表面的工作带宽十分窄，无法满足通信系统的要求。
[0007]2.该论文中所提出的智能超表面中的每个单元都要装载一个三极管放大器，使得其成本和功耗大幅提高。
[0008]基于此，我们需要设计一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面，且尽可能少地装载放大器，以减少成本和功耗。

技术实现思路

[0009]技术问题：为了在宽带范围内有效地增强电磁波信号能量，本专利技术提供了一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面。利用一种可以加载放大器的宽带反射型超表面结构，实现对入射电磁波的接收，能量放大和再辐射，同时引入功率合成网络和功率分配网络，使得该智能超表面结构可以在宽带范围内实现电磁能量的放大且尽可能地减少放大器的使用以减少成本和功耗。
[0010]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面为多层叠合结构，自上至下顺序设有金属贴片层、F4B介质层、金属缝隙层、
Ro4350B介质层、微带电路层、空气介质层和金属背板层；其中，所述的金属贴片层有4个贴片分别分布在F4B介质层上，所述金属缝隙层有4对金属缝隙分别分布在F4B介质层与Ro4350B介质层之间，在Ro4350B介质层的下面设有由微带线构成的微带电路层，在微带电路层与金属背板层之间为空气介质层。
[0011]所述的微带电路层由功率合成网络和功率分配网络组成，功率合成网络和功率分配网络相互交错设置，即功率合成网络的一部分位于功率分配网络中，功率分配网络一部分位于功率合成网络中。
[0012]所述的功率合成网络由两个相同的反向C形结构的微带线以及连接在该两个相同的反向C形结构的微带线中部的U形微带线组成，U形微带线的中间为第一端口。
[0013]所述的功率分配网络由两个相同的正向C形结构的微带线以及连接在该两个相同的正向C形结构的微带线中部的倒U形微带线组成，倒U形微带线的中间为第二端口。
[0014]所述的金属缝隙层的金属缝隙为沙漏型的缝隙结构，使电磁波能量在金属贴片层与微带电路层之间实现更好的阻抗匹配和能量耦合从而使所述智能超表面的工作带宽得到拓展。
[0015]所述的沙漏型的缝隙结构为一个横向设置的沙漏型的缝隙结构和一个纵向设置的沙漏型的缝隙结构组成一对沙漏型的缝隙结构。
[0016]所述的横向沙漏型缝隙和纵向沙漏型缝隙的结构参数为：a1＝4.2mm，a2＝0.24mm，a3＝1.5mm，a4＝0.48mm，h1＝4.8mm，h2＝8.28mm，h3＝5.1mm，h4＝12mm。
[0017]所述的微带电路层加载有放大器，该放大器加载在微带线总支上，且微带线总支分别连接了功率合成网络的第一端口和功率分配网络的第二端口，从而实现对电磁波信号能量的放大。
[0018]所述的智能超表面整体结构由2*2的同样的所述超表面构成。
[0019]该智能超表面利用金属贴片接收y极化的电磁波，并通过F4B介质层将能量耦合到了金属缝隙层的横向沙漏型缝隙上。随后电磁能量又通过Ro4350B介质层被进一步耦合到微带电路层的各条微带线分支上，且通过功率合成网络被汇总到微带线总支上。微带线总支上的电磁能量通过所加载的放大器得到了放大，放大后的电磁能量又通过功率分配网络被分配到各条微带线分支上，且通过Ro4350B介质层被耦合到金属缝隙层的纵向沙漏型缝隙上。该能量再次通过F4B介质层，被进一步耦合到了金属贴片层上，并且通过x极化的方式重新辐射出来。
[0020]利用加载放大器的宽带反射型智能超表面结构实现对电磁波宽带范围上的接收、放大和再辐射来实现对宽带范围内的电磁波的反射能量放大。
[0021]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益技术效果：
[0022]1.本专利技术通过合理设计各层的厚度以及金属缝隙层的缝隙形状，成功地拓展了反射型智能超表面的工作带宽，通过加载放大器使其可以实现在宽带范围内的电磁信号能量的放大，从而可以对通信信号进行有效的增强。综上，本专利技术可以大幅度提高通信的信号质量。
[0023]2.本专利技术通过引入了功率合成网络和功率分配网络，从而可以大大地减少了放大器的使用，这一设计可以大大地降低基于该智能超表面的系统的成本及功耗，使得具有电磁能量放大功能的智能超表面的广泛应用和普及成为可能。
[0024]3.传统的智能超表面主要通过对电磁波的幅度和相位的调控能力来实现所需功能，而很少考虑实现对电磁信号的放大。目前已有的具有放大功能的智能超表面又存在着工作带宽窄，所需放大器数量多而导致功耗和成本高的问题。本专利技术的宽带反射型智能超表面具有宽带工作的特性，可以通过加载放大器来实现宽带范围内电磁能量的放大。在此基础上，该结构又通过引入了功率合成网络和功率分配网络，大大地减少了放大器的使用。结合以上，这就使一种低成本,低功耗且具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面的设计成为可能。
附图说明
[0025]图1是一种基于加载放大器的宽带反射型智能超表面的各层结构示意图，
[0026]图中包括：金属贴片层1、F4B介质层2、金属缝隙层3、Ro本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面，其特征在于，该超表面为多层叠合结构，自上至下顺序设有金属贴片层(1)、F4B介质层(2)、金属缝隙层(3)、Ro4350B介质层(4)、微带电路层(5)、空气介质层(6)和金属背板层(7)；其中，所述的金属贴片层(1)有4个贴片分别分布在F4B介质层(2)上，所述金属缝隙层(3)有4对金属缝隙分别分布在F4B介质层(2)与Ro4350B介质层(4)之间，在Ro4350B介质层(4)的下面设有由微带线构成的微带电路层(5)，在微带电路层(5)与金属背板层(7)之间为空气介质层(6)。2.根据权利要求1所述的一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面，其特征在于：所述的微带电路层(5)由功率合成网络(51)和功率分配网络(52)组成，功率合成网络(51)和功率分配网络(52)相互交错设置，即功率合成网络(51)的一部分位于功率分配网络(52)中，功率分配网络(52)一部分位于功率合成网络(51)中。3.根据权利要求2所述的一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面，其特征在于：所述的功率合成网络(51)由两个相同的反向C形结构的微带线以及连接在该两个相同的反向C形结构的微带线中部的U形微带线组成，U形微带线的中间为第一端口。4.根据权利要求2所述的一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面，其特征在于：所述的功率分配网络(52)由两个相同的正向C形结构的微带线以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：程强，吴利杰，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：