本發(fā)明屬于可重構(gòu)超表面，具體涉及一種基于覆層的可切換頻段超寬帶1-bit可重構(gòu)超表面。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的可重構(gòu)超表面的工作帶寬普遍較小，且一旦加工成實(shí)物后，只能依賴機(jī)械、電光、相變材料等機(jī)制實(shí)現(xiàn)相位、頻率、極化、帶寬、波束的動(dòng)態(tài)調(diào)控。若要設(shè)計(jì)出一種可連續(xù)覆蓋c/x/ku波段的頻率切換1-bit可重構(gòu)超表面，則面臨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗提升、高系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、成本高昂等困難。

2、可重構(gòu)超表面能夠精準(zhǔn)地操控電磁波的傳播方向、頻率響應(yīng)與能量分布，逐步演變成為先進(jìn)電磁系統(tǒng)的核心要素。該材料在雷達(dá)探測(cè)、電磁兼容設(shè)計(jì)、航空航天通信、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。而對(duì)于現(xiàn)有的可重構(gòu)超表面，目前仍普遍存在如下缺陷：

3、傳統(tǒng)的可重構(gòu)超表面設(shè)計(jì)往往是針對(duì)固定頻段進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于頻段變化或者多種頻段干擾的情況適應(yīng)性較差。且一旦可重構(gòu)超表面被加工為實(shí)物后，其后續(xù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控的手段極為有限，主要依賴機(jī)械、電光、相變材料等少數(shù)幾種機(jī)制。借助這些機(jī)制，可在一定程度上達(dá)成相位、頻率、極化、帶寬以及波束等特性的動(dòng)態(tài)調(diào)整，然而方法的局限性極大地束縛了可重構(gòu)超表面的廣泛應(yīng)用與性能提升。

4、在當(dāng)今超表面技術(shù)領(lǐng)域的研究與發(fā)展進(jìn)程中，傳統(tǒng)的1-bit可重構(gòu)超表面雖然在諸多方面展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力，然而，其在增大帶寬的能力方面卻存在著顯著的局限性。傳統(tǒng)的1-bit可重構(gòu)超表面主要是基于特定的設(shè)計(jì)架構(gòu)和工作機(jī)制來實(shí)現(xiàn)其功能。這種設(shè)計(jì)方式在面對(duì)日益增長的對(duì)帶寬增大的需求時(shí)，暴露出了其固有的不足。其內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)和工作模式相對(duì)固定難以靈活地適應(yīng)不同頻段和更寬范圍的信號(hào)處理要求。

5、傳統(tǒng)的超寬帶1-bit可重構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增高。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不僅使得設(shè)計(jì)難度劇增，還對(duì)工藝精度提出了極高要求，哪怕極細(xì)微的偏差都可能影響性能，并且結(jié)構(gòu)通用性低，難以適配在其他設(shè)計(jì)中，極大限制了其推廣應(yīng)用。同時(shí)，現(xiàn)有的超表面為了簡化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能，往往采用兩個(gè)或者更多的pin二極管、變?nèi)荻O管等，一方面大大增加成本、增加損耗，另一方面使得系統(tǒng)魯棒性下降。

6、現(xiàn)有電控超表面表貼的pin二極管是關(guān)鍵元件，而往往無保護(hù)結(jié)構(gòu)，極易受到環(huán)境影響和人為破壞。

7、在n.thi?toan,t.t.thuy?quynh,t.v.bang?giang?and?n.m.tran,"ai-bitultra-wideband?reconfigurable?intelligent?surface?with?multilayer?structurefor?beyond5g,"2024international?conference?on?advanced?technologies?forcommunications(atc),ho?chi?minh?city,vietnam,2024,pp.980-985.中提出了一種具有多層結(jié)構(gòu)的1-bit可重構(gòu)智能表面單元，可以在9.38ghz-12.68ghz之間保持180°(±30°)的相位差，大約是30％的相對(duì)帶寬，但此單元結(jié)構(gòu)采用多層設(shè)計(jì)，集成了pin二極管和rf扼流圈等元件，這在一定程度上增加了制作成本和工藝復(fù)雜度，從大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用的角度看，較高的成本可能限制其推廣，復(fù)雜的制作工藝也可能影響產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。

8、而在h.shi?et?al.,"an?ultrawideband?1-bit?suspended?reconfigurableintelligent?surface?for?enhancing?wireless?coverage,"in?ieee?antennas?andwireless?propagation?letters,vol.23,no.12,pp.4613-4617,dec.2024.中，設(shè)計(jì)了一種超寬帶1-bit懸掛式可重構(gòu)智能表面，ris單元由兩個(gè)通過pin二極管連接的金屬光柵、介質(zhì)-空氣-介質(zhì)夾層和金屬反射層構(gòu)成，在2.75ghz-6ghz超寬帶范圍內(nèi)，pin二極管開態(tài)和關(guān)態(tài)間能實(shí)現(xiàn)180°±30°的穩(wěn)定反射相位差，相對(duì)帶寬達(dá)74.3％，但頻段覆蓋仍有提升空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于覆層的可切換頻段超寬帶1-bit可重構(gòu)超表面，將大大增加可重構(gòu)超表面對(duì)電磁波的調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)智能超表面平臺(tái)突破性的進(jìn)展。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于覆層的可切換頻段超寬帶1-bit可重構(gòu)超表面，包括基礎(chǔ)單元，所述基礎(chǔ)單元包括介質(zhì)基板、金屬貼片和pin二極管；

4、所述金屬貼片位于介質(zhì)基板上表面；

5、所述金屬貼片為兩個(gè)軸對(duì)稱的金屬貼片，相互之間有間隔，間隔處設(shè)置pin二極管，兩個(gè)軸對(duì)稱的金屬貼片由位于單元中心的pin二極管連接；

6、所述基礎(chǔ)單元表面加載覆層，用于增強(qiáng)或擴(kuò)展基礎(chǔ)單元的調(diào)控能力；

7、基礎(chǔ)單元表面與覆層之間是空氣層。

8、所述介質(zhì)基板材料選擇taconic?tly，厚度為2mm，相對(duì)介電常數(shù)2.2，損耗角正切0.0009，單個(gè)貼片尺寸3.35mm*8mm。

9、所述金屬貼片之間間隔0.3mm。

10、以介質(zhì)層下表面的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間直角坐標(biāo)系，垂直介質(zhì)層上表面的z軸，水平向右的y軸，縱向向前的x軸，兩貼片關(guān)于y軸對(duì)稱；

11、在hfss建立模型進(jìn)行全波仿真，邊界條件設(shè)置為周期邊界，用于模擬無限大的仿真周期陣列，在頂部空氣層上表面設(shè)置floquet端口，選擇tm波入射。

12、通過調(diào)節(jié)貼片寬度調(diào)整諧振頻率，所述基礎(chǔ)單元可實(shí)現(xiàn)11.5ghz-15.6ghz的1-bit相位調(diào)控，相對(duì)帶寬30％。

13、所述基礎(chǔ)單元上方加載覆層一，所述覆層一與基礎(chǔ)單元之間是空氣層。

14、所述覆層一包括一層介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板上表面設(shè)置有5*5周期排列的金屬貼片。

15、介質(zhì)基板材料選擇rogers?rt/duroid?5880，厚度為0.508mm，相對(duì)介電常數(shù)2.2，損耗角正切0.0009，單個(gè)貼片尺寸1.5mm*1.5mm，每貼片相隔0.1mm；

16、貼片周期為1.6mm，小于十分之一波長，為亞波長超表面，通過人工微結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)，等效特異媒質(zhì)特性。

17、覆層一由中軸對(duì)稱的1.6mm*1.6mm*0.508mm的介質(zhì)層與1.5mm*1.5mm的上表面金屬貼片進(jìn)行5*5組陣而來，引入額外的諧振頻率，通過調(diào)節(jié)空氣層厚度與覆層一的貼片寬度，調(diào)整諧振頻率并增大帶寬；所述基礎(chǔ)單元可實(shí)現(xiàn)7ghz-11.5ghz的1-bit相位調(diào)控，相對(duì)帶寬49％。

18、所述基礎(chǔ)單元正上方加載覆層二，所述覆層二與基礎(chǔ)單元之間是空氣層。

19、所述覆層二由兩層介質(zhì)基板和兩層5*5周期排列的金屬貼片構(gòu)成。

20、兩層介質(zhì)基板上下相接，上層介質(zhì)板厚度為0.508mm，單個(gè)貼片尺寸0.5mm*0.5mm，每貼片相隔1.1mm；

21、下層介質(zhì)板厚度為0.254mm，單個(gè)貼片尺寸1.5mm*1.5mm，每貼片相隔0.1mm。

22、覆層二分為兩層，上層由中軸對(duì)稱的1.6mm*1.6mm*0.508mm的介質(zhì)層與0.5mm*0.5mm的上表面金屬貼片進(jìn)行5*5組陣而來；下層由中軸對(duì)稱的1.6mm*1.6mm*0.254mm的介質(zhì)層與1.5mm*1.5mm的上表面金屬貼片進(jìn)行5*5組陣而來。

23、覆層二引入額外的諧振頻率，通過調(diào)節(jié)空氣層厚度與覆層二兩層的貼片寬度，調(diào)整諧振頻率并增大帶寬，所述基礎(chǔ)單元可實(shí)現(xiàn)5.5ghz-7ghz的1-bit相位調(diào)控，相對(duì)帶寬24％。

24、所述基于覆層的可切換頻段超寬帶1-bit可重構(gòu)超表面在通信領(lǐng)域，其超寬帶特性適配5g/6g多頻段通信系統(tǒng)，可高效處理信號(hào)傳輸、優(yōu)化頻譜資源利用；在雷達(dá)探測(cè)與無損檢測(cè)場(chǎng)景中，通過精準(zhǔn)的相位調(diào)控，顯著提升目標(biāo)識(shí)別精度與材料缺陷檢測(cè)能力；

25、將超表面單元應(yīng)用于飛行器、艦艇表面時(shí)，可通過調(diào)控入射電磁波相位。

26、本發(fā)明的有益效果：

27、本發(fā)明工作頻段覆蓋5.6ghz-15.6ghz。通過加載覆層的獨(dú)特方式，僅需單個(gè)pin二極管即可實(shí)現(xiàn)1-bit相位調(diào)控，不僅大幅簡化了復(fù)雜的調(diào)控結(jié)構(gòu)，更從根本上降低了系統(tǒng)復(fù)雜度與制造成本，為超表面單元設(shè)計(jì)提供了全新技術(shù)路徑。

28、具體來看，該單元通過選擇不同加載覆層，能夠在5.6ghz-15.6ghz超寬頻帶內(nèi)靈活實(shí)現(xiàn)頻段切換與1-bit相位調(diào)控。這種設(shè)計(jì)兼具多重優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡潔明了，顯著降低設(shè)計(jì)與加工難度；成本低廉，適配規(guī)?；a(chǎn)需求；魯棒性強(qiáng)，可在復(fù)雜電磁環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，有效克服了傳統(tǒng)超表面單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝要求苛刻的痛點(diǎn)。

29、在實(shí)際應(yīng)用層面，該超表面單元展現(xiàn)出廣泛的適用性與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在通信領(lǐng)域，其超寬帶特性適配5g/6g多頻段通信系統(tǒng)，可高效處理信號(hào)傳輸、優(yōu)化頻譜資源利用，為高速率、低時(shí)延通信提供支撐；在雷達(dá)探測(cè)與無損檢測(cè)場(chǎng)景中，通過精準(zhǔn)的相位調(diào)控，能顯著提升目標(biāo)識(shí)別精度與材料缺陷檢測(cè)能力；將超表面單元應(yīng)用于飛行器、艦艇表面時(shí)，可通過調(diào)控入射電磁波相位，使反射波在特定方向產(chǎn)生干涉相消，有效降低裝備雷達(dá)散射截面(rcs)，大幅提升復(fù)雜環(huán)境下的隱身性能與生存能力。這種集高效能、低成本、高可靠性于一體的設(shè)計(jì)，為超表面技術(shù)在多領(lǐng)域的工程化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。