毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面，属于人工电磁器件领域，包括：依次堆叠的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和馈电层；第一金属层为方形结构，在其一条宽边的一侧延伸出一长条形枝节，其上蚀刻有缝隙，且在缝隙处加载有开关器件；第二金属层作为金属地板；长条形枝节远离方形结构的一端通过导电柱穿过第一介质基板上的过孔与第二金属层连接；馈电层作为正极；馈电层通过第二导电柱依次穿过第二介质基板、第二金属层和第一介质基板上的过孔后连接到第一金属层的中心；在开关器件不同状态下，单元呈现出两种不同的逻辑状态。本发明专利技术能够解决毫米波通信中的毫米波遮挡和设备部署成本过高的问题。

【技术实现步骤摘要】
毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面
本专利技术属于人工电磁器件领域，更具体地，涉及一种毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面。
技术介绍
第五代移动通信技术中引入了毫米波通信这一关键技术。相对于4G而言，毫米波通信由于带宽资源巨大，可以将数据吞吐率提升两个量级。然而，5G毫米波通信所存在的两大问题，其一是毫米波通信的遮挡问题。由于频点较高，毫米波穿透能力很弱，绕射、散射不明显。这就导致了毫米波信号容易因障碍物的遮挡而急剧衰减。其二是部署成本较高，由于硬件系统的复杂度较高，器件数增加，导致整个系统硬件成本急剧上升。对波束进行动态调控是解决遮挡问题的常见思路。目前，已经有一些技术可以实现电磁波的即时调控，例如对喇叭天线、阵列天线等定向辐射天线进行机械转动，或者电控扫描有源相控阵天线，即给相控阵天线各个单元连接可控有源器件，对各单元的出射相位进行控制以实现电控扫描调控电磁波。但是，前者扫描速度慢且机械需要定期维护，后者系统复杂，成本高且维护困难。电磁超材料是一种新型人工电磁材料，它由周期性排列的特定形状亚波长尺寸结构单元构成。超材料具有自然界中不存在的独特电磁特性，通过设计可以实现极端的媒介参数，以获得一些不寻常的物理特性，如负折射现象等。超材料的电磁特性取决于单元结构，因此，可以通过单元结构设计实现对电磁波的调控。电磁超表面是具有超薄平面结构的二维形式超材料。作为对超材料的发展和延伸，超表面的平面结构让它能够完全调控电磁波传播的同时，具有低损耗、易设计、部署灵活等优势。通过适当的方式，超表面能够让信息的传输与处理更加可靠。但是，目前大部分智能超表面单元结构不能应用于5G通信毫米波频段，能够应用于5G通信毫米波频段的智能超表面也只能适用于特定的工作频率，因此，毫米波智能超表面的实现仍旧是一个难点。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种毫米波智能超表面单元及毫米波智能超表面，旨在解决毫米波通信中的毫米波遮挡和设备部署成本过高的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种毫米波智能超表面单元，包括依次堆叠的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和馈电层；第一金属层为方形结构，在其一条宽边的一侧延伸出一长条形枝节，长条形枝节上蚀刻有缝隙，且在缝隙处加载有开关器件；第二金属层作为金属地板；长条形枝节远离第一金属层方形结构的一端通过第一导电柱穿过第一介质基板上的第一过孔与第二金属层连接；馈电层作为正极；馈电层通过第二导电柱依次穿过第二介质基板上的过孔、第二金属层上的过孔和第一介质基板上的第二过孔后连接到第一金属层的中心。在开关器件断开和闭合的状态下，毫米波智能超表面单元呈现出两种不同的逻辑状态。本专利技术所提供的毫米波智能超表面单元，在开关器件断开和闭合的状态下，毫米波智能超表面单元呈现出两种不同的逻辑状态，具体来说，在开关断开和闭合的状态下，会影响单元的电磁特性，使得在两种不同的状态下，沿着长条形枝节方向的线极化电磁波照射智能超表面单元时，反射相位差为180°或者在180°附近，因此，本专利技术所提供的毫米波智能超表面单元可用于毫米波通信系统中，并且利用智能超表面实现毫米波波束定向反射功能，不仅可以绕开障碍物的遮挡，提高毫米波通信系统的覆盖能力，还能实现信号增强功能，有效解决毫米波遮挡的问题。此外，由于本专利技术所提供的毫米波智能超表面单元结构简单，且除了传感器外，其中的器件均为低成本的无源器件，能够有效地降低毫米波通信系统的部署成本。进一步地，在n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段内，第一金属层的长px和宽py与期望的工作频率frequency及工作频率frequency处的反射相位差phase满足如下关系：frequency＝α+β·px+γ·py其中，α、β、γ、a、b、c、d和e均为系数。本专利技术所提供的毫米波智能超表面单元，其中第一金属层的长px和宽py与期望的工作频率及工作频率出的反射相位差之间存在显式的解析表达式关系，通过调节第一金属层的长px和宽py，可以实现5G通信毫米波频段(包括n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段)内任一工作频率下的毫米波通信，其适用范围更广，能够更好地适用于5G通信毫米波频段。进一步地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值范围分别为：49.5<α<51.1，-5.8<β<-5.2，-2.8<γ<-2.5；465.4<a<576.5，-212.1<b<-169.8，73.3<c<120.5，-14.4<d<2.81，-6.1<e<-0.4。基于上述系数范围设定，本专利技术所提出的毫米波智能超表面单元可以很好地适用于3GPP标准中的n257(26.5GHz-29.5GHz)、n258(24.25GHz-27GHz)和n261(27.5GHz-28.35GHz)频段。进一步地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值为：α＝50.3，β＝-5.5，γ＝-2.7；a＝520.9，b＝-190.9，c＝97.0，d＝-5.8，e＝-3.2。基于上述系数设定，本专利技术所提供的毫米波智能超表面单元在3GPP标准中的n257频段、n258频段和n261频段内，其工作频率及工作频率处的反射相位差最接近期望值，性能达到最优。进一步地，第一介质基板的厚度为0.762mm，介电常数为3.66，正切损耗角为0.0037；第二介质基板的厚度为0.2mm，介电常数为4.4，正切损耗角为0.025；第一金属层、第二金属层以及馈电层的厚度均为35μm。在一些可选的实施方式中，第二导电柱位于馈电层的一端还连接有导线，用于接收控制信号或连接电源。进一步地，在n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段内，所述第一金属层(1)的长px和宽py与期望的工作频率frequency及所述工作频率frequency处的反射相位差phase满足如下关系：frequency＝α+β·px+γ·pyphase＝a+b·px+c·py其中，所述方形结构中所述长条形枝节所在边为宽；α、β、γ、a、b和c均为系数。进一步地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值范围分别为：48.9<α<50.5，-6.1<β<-5.6，-2.5<γ<-2.1；507<a<526.9，-152.0<b<-148.9，43.1<c<47.8。进一步地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值为：α＝49.7，β＝-5.9，γ＝-2.3；a＝516.9，b＝-152.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种毫米波智能超表面单元，其特征在于，包括依次堆叠的第一金属层(1)、第一介质基板(2)、第二金属层(3)、第二介质基板(4)和馈电层(5)；/n所述第一金属层(1)为方形结构，在其一条边的一侧延伸出一长条形枝节，所述长条形枝节上蚀刻有缝隙，且在所述缝隙处加载有开关器件；/n所述第二金属层(3)作为金属地板；所述长条形枝节远离方形结构的一端通过第一导电柱穿过所述第一介质基板(2)上的第一过孔与所述第二金属层(3)连接；/n所述馈电层(5)作为正极；所述馈电层(5)通过第二导电柱依次穿过所述第二介质基板(4)上的过孔、所述第二金属层(3)上的过孔和所述第一介质基板(2)上的第二过孔后连接到所述第一金属层(1)的中心；/n在所述开关器件断开和闭合的状态下，所述毫米波智能超表面单元呈现出两种不同的逻辑状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种毫米波智能超表面单元，其特征在于，包括依次堆叠的第一金属层(1)、第一介质基板(2)、第二金属层(3)、第二介质基板(4)和馈电层(5)；
所述第一金属层(1)为方形结构，在其一条边的一侧延伸出一长条形枝节，所述长条形枝节上蚀刻有缝隙，且在所述缝隙处加载有开关器件；
所述第二金属层(3)作为金属地板；所述长条形枝节远离方形结构的一端通过第一导电柱穿过所述第一介质基板(2)上的第一过孔与所述第二金属层(3)连接；
所述馈电层(5)作为正极；所述馈电层(5)通过第二导电柱依次穿过所述第二介质基板(4)上的过孔、所述第二金属层(3)上的过孔和所述第一介质基板(2)上的第二过孔后连接到所述第一金属层(1)的中心；
在所述开关器件断开和闭合的状态下，所述毫米波智能超表面单元呈现出两种不同的逻辑状态。


2.如权利要求1所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，在n257频段、n258频段、n261频段、n259频段和n260频段内，所述第一金属层(1)的长px和宽py与期望的工作频率frequency及所述工作频率frequency处的反射相位差phase满足如下关系：
frequency＝α+β·px+γ·py



其中，所述方形结构中所述长条形枝节所在边为宽；α、β、γ、a、b、c、d和e均为系数。


3.如权利要求2所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值范围分别为：
49.5<α<51.1，-5.8<β<-5.2，-2.8<γ<-2.5；
465.4<a<576.5，-212.1<b<-169.8，73.3<c<120.5，-14.4<d<2.81，-6.1<e<-0.4；
优选地，在n257频段、n258频段和n261频段内，各系数的取值为：
α＝50.3，β＝-5.5，γ＝-2.7；
a＝520.9，b＝-190.9，c＝97.0，d＝-5.8，e＝-3.2。


4.如权利要求3所述的毫米波智能超表面单元，其特征在于，所述第一介质基板(...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹琳，王锴，尹海帆，陆骋，裴熙隆，张昆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42