一种测量二维波达方向角的智能超表面、系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种测量二维波达方向角的智能超表面、系统及方法，所述超表面由金属贴片层，F4B介质层和金属背板层组成，共n*n个基本单元，每个单元都可以被周期性的控制电压独立控制。通过设计每个单元的控制电压信号，使每个单元的反射相位在空间中呈现周期且相互正交的相位变化，随后由一个辅助天线接收后进行信号处理，获得该智能超表面上的二维波达方向角度。本发明专利技术仅通过对超表面施加周期性的控制电压和一个接收天线实现了精确的二维波达方向角估计，相较于需要n2个射频前端的同规模的二维波达方向角估计的相控阵系统而言，其架构简易，大幅降低了硬件成本，便于集成化，可以使用在雷达、遥感、无线通信等多个领域，具有广泛的应用前景。泛的应用前景。泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种测量二维波达方向角的智能超表面、系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种测量二维波达方向角的智能超表面、测量系统及方法，可以使用在雷达、遥感、无线通信等领域。

技术介绍

[0002]二维波达方向角(DOA)测量技术作为雷达、遥感、无线通信的重要技术之一，得到了广泛的研究和应用。然而，目前大多数的DOA估计方法依赖于相控阵，而相控阵技术需要多个射频前端去接收电磁波，这无疑增加了其系统级应用的硬件成本，使得基于相控阵的DOA估计系统一直有着高成本、高功耗和高硬件复杂度的问题，阻碍了DOA估计系统的进一步普及。因此，有必要开发一种低成本、低硬件复杂度硬件设备及相关算法，去满足DOA技术在雷达、遥感、无线通信系统中的广泛应用。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种测量二维波达方向角的智能超表面、测量系统及测量方法，通过对超表面上的单元施加相互正交的时间编码序列并由辅助接收天线接收解调，它可以测量到达该智能超表面上的电磁波的二维入射角度，并且具有实时波束调控功能，可以解决传统DOA估计系统搞硬件复杂度、高成本和高功耗的技术问题。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术的具体技术方案如下：
[0005]一种测量二维波达方向角的智能超表面，包括：n*n个基本单元，每个单元包含三层结构：第一层为焊接有一个PIN二极管的中心对称金属贴片组成，第二层为介质基板，第三层为未刻蚀图案的全金属层；第一层的金属贴片到第三层全金属层由金属通孔相连，控制信号通过金属通孔从馈线传输到金属贴片上，通过控制二极管跨界的两个金属贴片的电压来控制二极管的通断。
[0006]其中，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单元的控制信号链路，每个单元都可以由独立的周期性的控制信号控制。
[0007]其中，智能超表面的单元控制电压在0V和0.8V间切换的时候，单元的反射相位可以在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。
[0008]其中，所属的每一个超表面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，单元的时间编码互不影响。
[0009]进一步，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。金属材料为铜，厚度均为0.018mm。
[0010]本专利技术还提供一种二维波达方向角测量系统，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上述的智能超表面；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。
[0011]本专利技术还提供一种二维波达方向角测量方法，包括如下步骤：
[0012]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：
[0013][0014]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；
[0015]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，接收信号可以表示为如下矩阵形式：
[0016][0017]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；由于哈达玛矩阵的正交性，保证了通过在接收端使用相同的哈达玛矩阵进行求解可解的矩阵A的值，进而重建了入射波在超表面上的幅相分布。
[0018]步骤3：经过重建的入射波在超表面上的幅相分布矩阵A，对应的是传统相控矩阵测角技术中的接收信号矩阵，进而可以适配传统波达角度估计算法，例如MUSIC，ESPRIT等去计算超表面的波达方向角度值。
[0019]本专利技术具有以下优点：
[0020]1、硬件复杂度和成本低：本专利技术所提出的一种测量二维到达角的智能超表面包括：n*n个基本单元，每个单元包含三层结构：第一层为焊接有一个PIN二极管的中心对称金属贴片组成，第二层为介质基板，第三层为未刻蚀图案的全金属层；第一层的金属贴片到第三层全金属层由金属通孔相连，控制信号通过金属通孔从馈线传输到金属贴片上，通过控制二极管跨界的两个金属贴片的电压来控制二极管的通断。
[0021]2、结构简单、低成本、平面化、易于其他器件集成：相比于传统相控阵，本专利技术无需使用大量的大量电子移相器或T/R组件，成本低廉，结构简单，集成度高，在满足尺寸小型化、平面化的同时易于其他高频/平面电路集成。
[0022]综上，本专利技术设计的超表面可以对到超表面上的二维波达方向角进行实时测量，可以代替的基于相控阵的波达角测量系统，使测量系统的硬件复杂度和成本降低。
附图说明
[0023]图1为本专利技术中的智能超表面进行二维波达方向角测量的示意图；
[0024]图2为本专利技术中的智能超表面的整体结构示意图和局部单元结构示意图；
[0025]图3为本专利技术中的智能超表面在PIN二极管不同工作状态下的反射幅度响应和反射相位响应曲线图；
[0026]图4为本专利技术中的智能超表面的实物图及其测量二维波达方向角所在的二维空间角度；
[0027]图5为基于智能超表面的二维波达方向角测量系统的架构实物图；
[0028]图6为本专利技术中的智能超表面在图4中α角的实际波达方向角度、智能超表面测量的波达方向角度和角度误差曲线图；
[0029]图7为本专利技术中的智能超表面在图4中β角的实际波达方向角度、智能超表面测量的波达方向角度和角度误差曲线图。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]本专利技术的一种实施方式如图1所示，公开了一种测量二维波达方向角的智能超表面，所述超表面由金属贴片层，F4B介质层和金属背板层组成，共n*n个基本单元。通过精心设计每个单元的控制电压信号，使每个单元的反射相位在空间中呈现周期且相互正交的相位变化，并由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

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