一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜及其在5G通信中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜及其在5G通信中的应用，包括从室外至室内方向上依次设置室外导电层基材、室外导电层、室外玻璃、空气层、室内玻璃、室内导电层、室内导电层基材；其中，靠近室外玻璃的室外导电层基材为风车结构；靠近室内玻璃的室内导电层为圆端十字结构；本发明专利技术基于阻抗匹配原理设计的双层增透膜，能够与自由空间实现良好的阻抗匹配，在保证透波率的同时最大程度的提升透光率。透光率。透光率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜及其在5G通信中的应用


[0001]本专利技术属于增透膜
，具体涉及一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜及其在5G通信中的应用。

技术介绍

[0002]频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种由金属谐振单元以一维或者二维阵列排列的周期性阵列结构，能够较好的控制电磁波的传输和散射，能使入射电磁波在谐振频率处发生全反射或全透射。目前常见设计为利用无源RIS表面实现反射波束的调整从而增强信号覆盖能力。现有FSS增透膜采用经典的耶路撒冷十字结构以及站立或平面的开口环结构，未考虑透光性，无法应用于各种建筑的玻璃材料中。且上述增透膜均未针对实用场景做出测试。
[0003]现有技术大都未考虑5G通信过程中玻璃对于信号传输的影响。例如公开号为CN108254810A，名称为一种基于平面开口环结构的太赫兹增透膜的申请，设计了一种工作于太赫兹波段的增透膜，然而其与5G通信的频段并不匹配，故而无法应用于日常的5G通信中。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜及其在5G通信中的应用，基于阻抗匹配原理设计的双层增透膜，能够与自由空间实现良好的阻抗匹配，在保证透波率的同时最大程度的提升透光率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜，包括沿来波方向依次设置室外导电层基材、室外导电层、室外玻璃、空气层、室内玻璃、室内导电层、室内导电层基材；其中，靠近室外玻璃的室外导电层基材为风车结构；
[0007]所述风车结构包括方形基材，所述基材表面沿着方形基材对角线位置设置两条交叉的缝隙结构；
[0008]靠近室内玻璃的室内导电层为圆端十字结构；
[0009]所述圆端十字结构包括方形基材，所述方形基材中心位置为十字铜贴片，十字铜贴片端部为圆形铜贴片。
[0010]所述风车结构的具体结构为：包括边长为p的正方形基材，所述正方形基材四条边中点设置等腰三角形铜贴片一，其中，等腰三角形铜贴片一以(p
‑
l3)/2为高，l3表示围成风车结构的等腰三角形的顶点间距；
[0011]所述正方形基材四角为等腰三角形铜贴片二，等腰三角形铜贴片二直角边长为d；
[0012]所述圆端十字结构的具体结构为：包括边长为p的正方形基材，所述十字铜贴片垂直于正方形基材，臂长l1且宽为w，所述圆形铜贴片以r为半径。
[0013]进一步的，在边长为p的正方形单元的风车结构的上下左右四个方向形成等腰三角形，等腰三角形底边长为l2。
[0014]所述风车结构通过光学OCA胶体粘贴室外玻璃上，圆端十字结构通过光学OCA胶体粘贴在室内玻璃上。
[0015]所述风车结构在考虑到玻璃本身的透光性时，对风车结构的边沿进行挖空，风车结构挖空后，挖空表示的尺寸分为m1和m2，m1为对上述“风车缝隙”中等腰三角形铜贴片的高，m2则为上述“风车缝隙”中等腰三角形铜贴片的底。
[0016]所述室外导电层基材和室内导电层基材采用介电常数为3.4，损耗角正切0.005的PET基材作为介质支撑；所述室外玻璃和室内玻璃的玻璃媒质采用实际场景参数，是介电常数为6.7，损耗角正切为0.012的双层玻璃媒质。
[0017]所述风车结构和圆端十字结构组成的两层贴片型FSS结构中，将FSS单元不同层等效为相互级联的电路，等效电路法是指将频率选择表面等效为电感或电容元件，利用传输线理论计算求解频率选择表面的频率响应的方法，利用等效电路分析法可知，所述风车结构等效为L1C1与L2C2并联，圆端十字结构等效为串联电路L3C3，中间包括室外玻璃、空气层、室内玻璃等效为传输线，L1C1与L2C2并联，通过特性阻抗为Z1的等效传输线将L3C3同上述电路相并，此并联电路通过特性阻抗为Z0的传输线连接外部电路，其中Z0为自由空间特性阻抗，Z1为玻璃媒质等效阻抗；
[0018]双层增透膜的圆端十字结构产生低频谐振，等效为LC串联电路；其中，L1、C1，L2、C2分别表示风车结构所等效的并联LC级联电路，L3、C3则分别代指圆端十字结构等效的电容与电感；串联L3C3谐振在频率f1处，所述风车结构与圆端十字结构耦合产生高频谐振。
[0019]L1C1、L2C2并联后与L3C3在高频处组成新的并联谐振，谐振在频率f2处；对应的谐振频率分别为：
[0020][0021][0022]进一步的，通过调整风车结构和圆端十字结构中的参数，等同于通过调节基于频率选择表面增透膜的等效阻抗，使其在自由空间(即空气中)与室内玻璃、室外玻璃两层媒质之间达成阻抗匹配，实现室内场馆信号增透。
[0023]所述无源RIS增透膜在x方向、y方向上以n
×
n的比例复制任意数目，并使x，y方向相邻单元之间的中心间距为边长均为p，即可成为超表面阵列。
[0024]一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜的调整方法，调整风车结构和圆端十字结构中的参数进而达成阻抗匹配，包括以下步骤；
[0025]步骤一：使用商用电磁仿真软件CST Microwave对FSS增透膜进行数值仿真；
[0026]步骤二：r为圆端十字结构的下层圆端十字的圆半径，随着半径r的增加，下层圆端十字单元的等效电容C3增大，串联谐振频率f2移到更低频率，S
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处峰值愈专利技术显，过渡带随半径增加而变得陡峭，透波率下降；
[0027]步骤三：l1为圆端十字结构下层单L3C3元十字枝节的长度，随着长度l1的增加，下
层圆端十字单元的等效电感L3增大，串联谐振频率f2移到更低频率，且谐振频率处S
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降低，透波率逐渐下降；
[0028]步骤四：上层风车结构间距l3决定了透波频带的下限，随着间距l3的增大，上层单元等效电容C1值减小，从而串联谐振频率f1向更高频率偏移，透波带宽有所增大但透波率逐渐下降；
[0029]通过调节以上参数，改变单元中等效电容C1与等效电感L3的值，进而改变增透膜的等效阻抗，达成阻抗匹配。
[0030]所述增透膜应用于5G通信，增透膜粘贴在室外玻璃3、室内玻璃5媒质两侧，信号由基站发出，经由无源RIS传输至室内场馆，所述无源RIS表面通过调整辐射单元的反射相位来改变反射主波束的方向；
[0031]在自由空间与介质的分界面上，当介质阻抗等于自由空间波阻抗时，分界面反射系数为0，传输达到最大，即实现阻抗匹配。介质穿过无源RIS进入室内的这一过程用于改善一部分复杂建筑导致的路径损耗及绕射损耗，再由黏附在玻璃媒质上的增透膜实现与自由空间的阻抗匹配，从而减小透波损耗，增大信号透过率，增强室内信号的覆盖。
[0032]本专利技术的有益效果：
[0033]本专利技术根据阻抗匹配原理设计了一款双层增透膜。对比原本的玻璃媒质，加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜，其特征在于，包括沿来波方向依次设置室外导电层基材(1)、室外导电层(2)、室外玻璃(3)、空气层(4)、室内玻璃(5)、室内导电层(6)、室内导电层基材(7)；其中，靠近室外玻璃(3)的室外导电层基材(1)为风车结构；所述风车结构包括方形基材，所述基材表面沿着方形基材对角线位置设置两条交叉的缝隙结构；靠近室内玻璃(5)的室内导电层(6)为圆端十字结构；所述圆端十字结构包括方形基材，所述方形基材中心位置为十字铜贴片(10)，十字铜贴片(10)端部为圆形铜贴片(11)。2.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜，其特征在于，所述风车结构的具体结构为：包括边长为p的正方形基材，所述正方形基材四条边中点设置等腰三角形铜贴片一(8)，其中，等腰三角形铜贴片一(8)以(p
‑
l3)/2为高，l3表示围成风车结构的等腰三角形的顶点间距；所述正方形基材四角为等腰三角形铜贴片二(9)，等腰三角形铜贴片二(9)直角边长为d；所述圆端十字结构的具体结构为：包括边长为p的正方形基材，所述十字铜贴片(10)垂直于正方形基材，臂长l1且宽为w，所述圆形铜贴片(11)以r为半径。3.根据权利要求2述的一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜，其特征在于，在边长为p的正方形单元的风车结构的上下左右四个方向形成等腰三角形，等腰三角形底边长为l2。4.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜，其特征在于，所述风车结构通过光学OCA胶体粘贴室外玻璃(3)上，圆端十字结构通过光学OCA胶体粘贴在室内玻璃(5)上。5.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜，其特征在于，所述室外导电层基材(1)和室内导电层基材(7)采用介电常数为3.4，损耗角正切0.005的PET基材作为介质支撑；所述室外玻璃(3)和室内玻璃(5)的玻璃媒质采用实际场景参数，是介电常数为6.7，损耗角正切为0.012的双层玻璃媒质。6.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的无源RIS增透膜，其特征在于，所述风车结构和圆端十字结构组成的两层贴片型FSS结构中，将FSS单元不同层等效为相互级联的电路，等效电路法是指将频率选择表面等效为电感或电容元件，所述风车结构等效为L1C1与L2C2并联，圆端十字结构等效为串联电路L3C3，中间包括室外玻璃(3)、空气层(4)、室内玻璃(5)等效为传输线，L1C1与L2C2并联，通过特性阻抗为Z1的等效传输线将L3C3同上述电路相并，此并联电路通过特性阻抗为Z0的传输线连接外部电路，其中Z0为自由空间特性阻抗，Z1为玻璃媒质等效阻抗；双层增透膜的圆端十字结构产生低频谐振，等效为LC串联电路；其中，L1、C1，L2、C2分别表示风车结构所等效的并联LC级联电路，L3、C3则分别代指圆端十字结构等效的电容与电感；串联L3C3谐振在频...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，王润菲，刘海霞，马培，马向进，韩家奇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：