本發(fā)明涉及無(wú)線通信，特別涉及一種超表面系統(tǒng)，涉及人工電磁材料，具體涉及一種透射超表面多子陣波束成形系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、超表面是一種二維的人工結(jié)構(gòu)，其單元尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，通過(guò)設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)尺寸的結(jié)構(gòu)單元，超材料能夠在較寬的頻段內(nèi)調(diào)節(jié)電磁波的特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻段的電磁波相位、振幅和偏振的操控，因此，超表面被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)透鏡、天線和雷達(dá)罩等具有特殊功能的器件，在通信、成像和光學(xué)信息處理等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

2、透射超表面(transmiss?ive?metasurface)是超表面的一個(gè)重要分支，其主要作用是通過(guò)設(shè)計(jì)特定的二維結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波透射的精確控制，透射超表面以緊湊的形式有效地調(diào)控透射波的相位分布，從而能夠用于高效的波前整形，在實(shí)際應(yīng)用中，它可以替代傳統(tǒng)的厚重光學(xué)透鏡，作為超薄透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)輕便的光束聚焦和整形，這類透鏡被廣泛應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)、天線設(shè)計(jì)和雷達(dá)系統(tǒng)中。

3、盡管透射超表面在許多領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，但在一些實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨增益不高的挑戰(zhàn)，這限制了其推廣，主要問(wèn)題在于其能量匯聚能力較低，增益不足意味著輻射效率不高，信號(hào)傳輸強(qiáng)度較弱，在遠(yuǎn)程通信和定向成像等需要高增益的場(chǎng)景中，透射超表面的性能還需進(jìn)一步優(yōu)化，相比傳統(tǒng)透鏡或高增益天線，它的增益水平仍有提升空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種透射超表面多子陣波束成形方法及裝置，通過(guò)聯(lián)合子陣思想?yún)R聚多饋源輻射能量，提高透射超表面的信號(hào)傳輸強(qiáng)度，能夠在10ghz頻率處實(shí)現(xiàn)更高增益的波前調(diào)控和波束合成。具體技術(shù)方案如下：

2、一種透射超表面多子陣波束成形方法及裝置，本發(fā)明的系統(tǒng)包括用于支撐的支架。

3、系統(tǒng)包括安裝在支架上并用于透射電磁波的子陣式透射超表面。

4、系統(tǒng)包括安裝在支架上并用于發(fā)射電磁波的多個(gè)饋源。

5、系統(tǒng)包括安裝在支架上并用于控制多饋源輻射的多饋源控制模塊。

6、其中，多饋源控制模塊和多饋源一一電連接。

7、所述的子陣式透射超表面豎直安裝在支架的一側(cè)，多饋源控制模塊和多饋源安裝在支架的另一側(cè)，多饋源垂直于子陣式透射超表面且始終與子陣式透射超表面的朝向相同。

8、所述的子陣式透射超表面是由相同排布的子陣模塊拼接構(gòu)成整陣，透射超表面的子陣是由若干透射單元在平面內(nèi)周期排列等間距排布構(gòu)成的矩形陣列結(jié)構(gòu)，整陣的拼接方式是由子陣在平面內(nèi)自由組合構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，無(wú)特定形狀限制。

9、可選的，透射超表面子陣結(jié)構(gòu)包括：三個(gè)中間介質(zhì)層和四個(gè)金屬層，其中，介質(zhì)層和金屬層交替疊加，所述介質(zhì)層為f4b聚四氟乙烯高頻材料，相對(duì)介電常數(shù)為2.65，損耗正切角為0.001；所述金屬層由m×n個(gè)呈陣列排布的金屬貼片單元組成，每個(gè)金屬鐵片由兩部分組成，包括位于邊緣的方形圓環(huán)、位于中心的準(zhǔn)雪斑形狀；

10、可選的，所述方形圓環(huán)的寬度m，邊界距離0mm；所述準(zhǔn)雪斑形狀由一個(gè)長(zhǎng)為l，寬為w的長(zhǎng)方形在原件中心旋轉(zhuǎn)蝕刻；所述準(zhǔn)雪斑形狀的l可選范圍從1mm變化到9mm；通過(guò)改變準(zhǔn)雪斑形狀的長(zhǎng)l可實(shí)現(xiàn)360°的連續(xù)透射相位調(diào)控；

11、可選的，所述透射超表面的子陣是由若干高透射率調(diào)相單元在平面內(nèi)周期排列等間距排布構(gòu)成的矩形陣列結(jié)構(gòu)是指基于廣義斯涅爾定律確定多個(gè)透射單元的陣面排布，陣列中陣元位置為(x,y)的陣元的期望補(bǔ)償相位分布為：

12、

13、式中，k0＝2π/λ0為設(shè)計(jì)頻率下的自由空間波數(shù)，θ0為波束偏轉(zhuǎn)角為沿z軸向夾角，位置為(x0,y0)，r是目標(biāo)波束偏轉(zhuǎn)的軸向距離，饋源距離超表面陣面的距離為f。

14、可選的，所述整陣的拼接方式是由子陣在平面內(nèi)自由組合構(gòu)成的結(jié)構(gòu)是指子陣式透射超表面是由多個(gè)完全相同透射超表面子陣無(wú)間隙拼接組成，拼接方式由具體實(shí)施例的需求決定，不限制子陣數(shù)量和整陣組合形狀。

15、所述用于發(fā)射電磁波的多個(gè)饋源位于所述透射超表面模塊的一側(cè)，多饋源的單元結(jié)構(gòu)由喇叭天線組成，每一喇叭天線對(duì)應(yīng)一個(gè)透射超表面子陣，喇叭天線等效相位初始點(diǎn)高度與超表面子陣的預(yù)設(shè)焦點(diǎn)高度重合，通過(guò)集體移動(dòng)喇叭天線位置，可以生成不同偏轉(zhuǎn)角度的合成波束。

16、所述用于控制多饋源輻射的多饋源控制模塊是指一種能夠?qū)崿F(xiàn)波前調(diào)制、優(yōu)化信號(hào)傳輸路徑、并確保各輸入喇叭天線單元信號(hào)幅度和相位一致性的裝置，該模塊包括信號(hào)傳輸電路、移相電路、放大電路和、功分電路，通過(guò)精確調(diào)控每個(gè)饋源的輸入信號(hào)，使喇叭天線能夠產(chǎn)生預(yù)期的輻射波束形態(tài)，同時(shí)減少信號(hào)干擾和相位誤差，提升系統(tǒng)的方向性、增益和整體輻射性能。

17、有益效果

18、本發(fā)明提供的一種透射超表面多子陣波束成形方法及裝置，通過(guò)多饋源設(shè)計(jì)與子陣式透射超表面的組合，該裝置能夠有效增強(qiáng)系統(tǒng)的波束增益，使得電磁能量在特定方向上得到更好的集中，并通過(guò)精確調(diào)控透射超表面的調(diào)制特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)波束形態(tài)的高精度控制，減少波束畸變和旁瓣效應(yīng)，進(jìn)而顯著提升波束的方向性和質(zhì)量。

19、本發(fā)明系統(tǒng)具有低剖面、低成本、精度高、調(diào)整迅速的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于6g通信服務(wù)多用戶領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種透射超表面多子陣波束成形方法及裝置，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透射超表面多子陣波束成形方法及裝置，其特征在于，所述支架4由為兩塊透明亞克力板和四根連接支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成，兩塊透明亞克力板分別用于固定多陣協(xié)同透射超表面模塊1和多饋源天線模塊2，確保喇叭天線等效相位初始點(diǎn)高度與超表面子陣的預(yù)設(shè)焦點(diǎn)高度重合，四根連接支撐結(jié)構(gòu)用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)剖面高度，固定多饋源天線模塊2的透明亞克力板上有對(duì)稱的四組喇叭天線孔位，用于提供喇叭天線偏移對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)相同距離，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波束偏轉(zhuǎn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的支架4，其特征在于，所述多陣協(xié)同透射超表面模塊1豎直安裝在支架4的一側(cè)，朝向信號(hào)接收端，由實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景決定，多饋源天線模塊2豎直安裝在支架4的另一側(cè)，朝向需要始終垂直于多陣協(xié)同透射超表面模塊1陣面。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透射超表面多子陣波束成形方法及裝置，其特征在于，所述的多陣協(xié)同透射超表面模塊1是由相同排布的透射超表面子陣5拼接構(gòu)成整陣，整陣的拼接方式是由子陣在平面內(nèi)自由組合構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，無(wú)特定形狀限制。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透射超表面子陣5，其特征在于，所述的透射超表面子陣5由三個(gè)中間介質(zhì)層7和四個(gè)金屬層交替疊加組成，每個(gè)金屬貼片由m·n個(gè)呈陣列排布的金屬貼片單元組成，金屬貼片單元由兩部分組成，包括位于邊緣的方形圓環(huán)金屬層9、位于中心的準(zhǔn)雪斑金屬層8，每一個(gè)金屬貼片對(duì)應(yīng)一個(gè)透射單元6，透射單元6的調(diào)制相位由廣義斯涅爾定律確定，陣列中陣元位置為(x,y)的陣元的期望補(bǔ)償相位分布為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透射超表面多子陣波束成形方法及裝置，其特征在于，所述多饋源天線模塊2是由喇叭天線10構(gòu)成，喇叭天線10數(shù)量與透射超表面子陣5的數(shù)量保持一致，喇叭天線10被固定在支架4的一側(cè)亞克力板上，等效相位初始點(diǎn)高度與透射超表面子陣5的預(yù)設(shè)焦點(diǎn)高度重合，可通過(guò)選擇支架4的透明亞克力板的孔位來(lái)集體移動(dòng)位置，通過(guò)喇叭天線饋源偏移焦點(diǎn)位置的距離實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)合成波束的方向偏轉(zhuǎn)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透射超表面多子陣波束成形方法及裝置，其特征在于，所述多饋源控制模塊3是由信號(hào)傳輸電路11、若干移相電路12、放大電路13和功分電路14組成，饋源控制模塊3中信號(hào)激勵(lì)由信號(hào)傳輸電路11輸入，輸入移相電路12輸入端，移相電路12的輸出端和放大電路13的輸入端連接，放大電路13的輸出端和功分電路14的輸入端連接，功分電路14的輸出端和多饋源天線模塊2的各喇叭天線10連接，信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字調(diào)控后實(shí)現(xiàn)波前調(diào)制、確保各輸入喇叭天線單元信號(hào)幅度和相位一致性后從喇叭天線10輸出。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種透射超表面多子陣波束成形方法及裝置，該裝置包括用于支撐的支架，用于透射電磁波和實(shí)現(xiàn)波束賦形的子陣式透射超表面模塊，用于輻射電磁波的多饋源天線模塊和用于波前調(diào)制的多饋源控制模塊。本發(fā)明通過(guò)多饋源控制模塊，實(shí)現(xiàn)輸入喇叭天線單元信號(hào)幅度和相位一致性，通過(guò)相同排布的透射超表面子陣拼接構(gòu)成整陣，同時(shí)子陣與多饋源天線模塊的喇叭天線一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)波束合成，顯著提升波束的方向性和質(zhì)量。本發(fā)明實(shí)施例利用聯(lián)合子陣思想?yún)R聚多饋源輻射能量，提高透射超表面的信號(hào)傳輸強(qiáng)度，能夠在10GHz頻率處實(shí)現(xiàn)更高增益的波前調(diào)控和波束合成。

技術(shù)研發(fā)人員：張鴻濤,武延年,柳源,謝剛,李龍,鹿祥賓
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京郵電大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15