一种太赫兹可重构超表面的制作方法

1.本发明属于通信技术领域，涉及一种太赫兹可重构超表面。


背景技术：

2.随着第五代无线通信系统(5g)的商业启动，第六代无线通信系统(6g)的研究也逐渐展开，6g无线网络设想实现高速数据速率、超低延迟、万物无线互联和高的频谱及能源利用效率等，太赫兹是6g通信的关键技术之一，可重构超表面技术作为太赫兹感通一体的重难点问题，对其进行研究具有重大的意义和价值。
3.超表面是一种由亚波长单元结构周期排列组成的二维超材料，可以通过改变自身的参数对入射电磁波的幅度、相位、极化等特性进行调控，由于其设计复杂度低以及低损耗、易加工等特点，近些年来成为广大研究人员的关注热点。2014年，东南大学崔铁军教授团队首次提出数字编码超表面的概念，将超表面单元的工作状态用离散的二进制表示，并实现了波束调控、rcs缩减等功能，进一步地促进了超表面的发展。由于传统的超表面是一旦加工完成，所实现的功能就无法更改，所以为了能够对电磁波进行实时的调控，适应日益复杂的系统需求，可重构超表面应运而生。目前可重构超表面中常用的可重构技术主有光电调谐(应用pin二极管、变容二极管、互补金属氧化物半导体(cmos)晶体管、高电子迁移率晶体管(hemt)、肖特基二极管等)、应用相变材料(二氧化钒(vo2)、液晶等)、机械调谐(微机电系统mems等)。通过可重构技术的加载，可重构超表面已经可以实现对电磁波特性参数的可编程实时调控，在信息调制、电磁隐身、全息成像等领域都展现了应用价值。
4.可重构超表面具有低成本、低能耗、可编程、易部署的优点，通过可重构超表面实现的太赫兹天线可不仅可以实现波束两维快速扫描控制与成型，还可以实现太赫兹信号的矢量调制，降低了系统复杂度，避免了太赫兹频段移相技术缺乏对相控阵技术实现的严峻挑战；此外，利用可重构超表面实现的太赫兹滤波器可以实现在应用可编程的柔性配置功能。总之可重构超表面技术在太赫兹无线通信领域的应用，将给未来太赫兹移动通信带来全新的范式。然而，由于太赫兹可重构超表面具有较大的电路拓扑，且采用了较多的平面电路，受限于工艺水平，已发表的太赫兹频段可重构超表面信号传输损耗依然不理想。
5.太赫兹频段具有高频、宽频带、低延迟等优势，目前是6g通信强有力的备选方案之一，但由于其波长小，在复杂的传播环境中会产生较大的路径损耗，在构建新一代6g通信系统中需要中继对其传播路径进行修正，利用可重构超表面替代传统的中继设备，不仅具有可以对传播路径进行灵活的反射调整，还可以实现透射、吸收等功能，具有低成本、低能耗的优势。另外在太赫兹频段下，传统的发射机链路需要的器件设计更加复杂困难、成本较高，而近些年提出的基于可重构超表面的无链发射机架构是通过可重构超表面对入射的载波信号直接进行调制，极大的减少了设计的复杂度和制造成本，所以太赫兹可重构超表面在未来具有极大的应用潜力。


技术实现要素：

6.(一)本发明的目的
7.本发明的目的在于提出一种基于肖特基二极管的1bit相位可调的可重构超表面设计方法，为太赫兹可重构超表面的研究提供了一种新思路，在未来6g太赫兹通信等领域有重要的应用价值。
8.(二)本发明的技术方案
9.本发明的一个方面提供了一种太赫兹可重构超表面，超表面采用双层设计，上层为金属贴片，下层为介质基板，无地板，介质基板为整块设计，32块正方形金属贴片等间距均匀附着于介质基板上，形成32个单元结构阵列；每个单元结构中金属贴片以居中方式贴附于介质基板上，在金属贴片上沿y轴方向依次居中蚀刻5个相连的内陷矩形结构图案，内陷矩形结构图案为中心对称结构，将金属贴片沿y轴方向截断为对称的两部分，并将居中的矩形结构中心位置放置金属连接片，连接金属贴片的上下两部分，当单元结构上不存在金属连接贴片时，工作在
’0’
状态，当金属连接贴片存在时，工作在
’1’
状态。
10.作为本发明技术方案的进一步改进，用肖特基二极管替换金属连接片，连接金属贴片的上下两部分，肖特基二极管导通状态下，单元结构工作在
’0’
状态，肖特基二极管断开状态下，单元结构工作在
’1’
状态。
11.作为本发明技术方案的进一步改进，每个单元结构中介质基板尺寸为340um
×
340um
×
50um，金属贴片以居中方式贴附于介质基板上，金属贴片外沿尺寸为275um
×
275um，5个相连的内陷矩形结构的长宽尺寸依次为：40um
×
10um、70um
×
38um、55um
×
10um、70um
×
38um、40um
×
10um，并于居中矩形结构中心位置放置肖特基二极管，宽度13um。
12.作为本发明技术方案的进一步改进，所述金属贴片材料为cu。
13.作为本发明技术方案的进一步改进，介质基板材料为gaas。
14.本发明的另一方面提供了利用太赫兹可重构超表面进行反射波束调控的方法，该方法包括：
15.构建太赫兹可重构超表面，在太赫兹可重构超表面每个单元上嵌入肖特基二极管；对太赫兹可重构超表面每个单元嵌入的肖特基二极管施加不同偏压条件，使得太赫兹可重构超表面每个单元具备1bit相位反射调相能力；对太赫兹可重构超表面不同位置单元施加特定的偏压条件，通过肖特基二极管导通或断开，则可使太赫兹可重构超表面反射波具备不同相位叠加态，即反射波束指向得到了调控。
16.在太赫兹可重构超表面每个单元上嵌入肖特基二极管是用肖特基二极管替换金属连接片，连接金属贴片的上下两部分，肖特基二极管导通状态下，单元结构工作在
’0’
状态，肖特基二极管断开状态下，单元结构工作在
’1’
状态。
17.采用本发明提出的超表面单元结构可以实现'0'和'1'两种状态，两种状态下，对应的反射相位存在截然不同的两种效果，因此通过该单元结构组成阵列后，调控不同单元结构的'0'和'1'的状态，可实现超表面不同空间位置的两种反射相位，32
×
32阵列不同反射相位的信号空间叠加，便可得到空间不同指向的波束辐射特性，从而实现了超表面的重构特性。
18.可重构超表面设计方法主要通过天线设计中对于波束指向、增益等电性能指标细化至对可重构超表面设计指标，围绕32
×
32阵列的结构特点，提出的对介质基底、金属贴片
的介电常数、空间构型的要求，选取满足要求的材质构成超表面材质。在明确材质及结构构型后，根据不同频点对反射幅度、反射相位的要求，通过对阵面布局、贴片尺寸、材料构成等参数不断进行仿真优化，满足天线设计需求。
19.本发明的有益效果：
20.传统的相控阵天线需要复杂的tr网络，且对幅相一致性要求高。太赫兹频段信号波长短，相位特性与结构耦合紧密，分布参数敏感，因此幅相一致性调整和保证技术挑战性强。本发明提出了一种低成本、低功耗、可编程、易部署的太赫兹重构超表面，具有结构简单，适合太赫兹频段加工，且结构规则，易于排列组阵，对于太赫兹频段相控阵天线技术发展提供新的技术途径。
附图说明
21.图1：金属贴片代替肖特基二极管的超表面单元；(a)
’0’
状态单元结构图；(b)
’1’
状态单元结构图；
22.图2：加载金属贴片的超表面单元电场分布图；(a)
’0’
状态；(b)
’1’
状态；
23.图3：金属贴片代替肖特基二极管的超表面单元工作特性仿真结果；(a)反射幅度；(b)反射相位；
24.图4：肖特基二极管等效电路模型；(a)导通状态；(b)断开状态；
25.图5：代入肖特基二极管等效电路模型的超表面单元仿真结果；(a)反射幅度；(b)反射相位；
26.图6：可重构超表面；
27.图7：反射阵反射阵分析的坐标系；
28.图8：法向辐射时可重构超表面编码分布图；
29.图9：可重构超表面波束扫描方向图；(a)主极化；(b)交叉极化。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
31.本发明太赫兹可重构超表面设计方法利用金属贴片的有无替代二极管的通断，在203ghz-230ghz的频段内实现了超表面单元在
‘0’
、
‘1’
两种状态下反射幅度均大于-1db，反射相位有180
°±
20
°
的变化，为了更加贴合实际使用情况，将肖特基二极管的等效电路带入到单元结构模型中进行仿真，同样验证了所提出的超表面单元设计方案的可行性，最后通过对超表面单元的工作状态进行编码设计，实现了对波束指向灵活的调控、多波束等功能。
32.1可重构超表面单元设计
33.由于pin二极管和变容管在设计和实际使用中的操作简单性、方便性和低成本等优势，目前大多数可重构超表面都采用了加载pin二极管和变容管的可重构技术，但多数的pin二极管由于截止频率的限制，只能工作在60ghz以下，在太赫兹频段(0.1thz
–
10thz)会造成较大的损耗，极大的恶化了可重构超表面的工作性能。而肖特基二极管由于其在正向电压作用下电阻很小，相当于一只接通的开关，在反向电压作用下，处于截止状态，电阻很大，相当于开关的断开状态，所以可以在电路中作为理想的电子开关，相比于pin二极管，具有低正向导通压降、快速恢复时间、低功耗等优势。所以本发明采取加载肖特基二极管的可
重构技术，设计了一款1bit反射相位可调节的可重构超表面，由于肖特基二极管理想的开关性能，为了简便的验证设计思路的可行性，首先利用金属贴片的有无代替肖特基二极管的通断，设计了一款加载金属贴片的超表面单元。
34.本发明提出的加载金属贴片的超表面单元结构如图1所示。本发明超表面单元结构采用双层设计，上层为金属cu贴片，厚度12.7um，下层为gaas介质基板，厚度50um，无地板，内陷图案采用金属蚀刻工艺完成。介质基板为整块设计，尺寸为10880um
×
10880um
×
50um，32块正方形金属贴片等间距均匀附着于介质基板上，单元间距80um，形成32个单元结构阵列。每个单元结构中介质基板尺寸为340um
×
340um
×
50um，金属cu贴片以居中方式贴附于介质基板上，金属cu贴片外沿尺寸为275um
×
275um。金属cu贴片沿y轴方向依次居中蚀刻5处矩形结构，将金属片沿y轴方向截断为对称的两部分，长宽尺寸依次为：40um
×
10um、70um
×
38um、55um
×
10um、70um
×
38um、40um
×
10um，并于55um*10um矩形中心位置放置肖特基二极管，宽度13um，连接金属cu贴片的上下两部分。
35.图1(a)、(b)分别给出了无金属贴片和有金属贴片两种工作状态单元的结构图，该单元由上层的两个对称的内陷矩形贴片辐射结构、金属连接贴片和介质基板构成，介质基板采用50um厚的gaas，当单元上不存在金属连接贴片时，工作在
’0’
状态，当金属连接贴片存在时，单元工作在
’1’
状态，当x极化波(x极化波为沿着金属连接贴片方向的极化波)入射到单元时，图2给出了两种工作状态下单元辐射结构上的电场分布，可以看出
’0’
状态和
’1’
状态下，超表面单元辐射结构会产生不同的电场分布，即出现不同的谐振点，通过合理的调节辐射结构的尺寸参数，单元在两种工作状态下可以实现180
°
的反射相位改变，从而实现1bit的反射相位可调控制。
36.为了验证所设计的超表面单元的工作性能，在高频结构仿真软件hfss中建立了加载金属贴片的超表面单元的仿真模型模型，设置floquet端口和周期边界条件。仿真得出图3金属连接贴片由肖特基二极管代替的超表面单元工作特性仿真结果图。由图3(a)可知，对于两种工作状态下，反射单元的反射系数的幅值在180ghz-260 ghz的频段内的范围内都大于-1db，说明反射单元对入射到其表面的x极化波接近于全反射。此外，由图3(b)可知两种工作状态下单元的反射相位的改变量在203ghz-230ghz的频率范围内都在180
°±
20
°
的范围内，验证了所设计的超表面单元良好的工作性能。
37.考虑到实际的肖特基二极管本身会带来一定的损耗，所以为了更加贴合实际的情况，将上述单元中的金属连接贴片用肖特基二极管的等效电路模型进行替代，所采用的肖特基二极管的等效电路模型如图4所示，该肖特基二极管在220ghz附近的频率范围内有良好的开关工作性能。
38.对改进后的单元重新在hfss中进行仿真，得到图5所示的加载肖特基二极管的超表面单元工作特性仿真结果图，从图5(a)中可以看出，肖特基二极管导通状态下，相比于采用金属连接贴片的单元仿真结果损耗增大，但反射幅度均在-6db以内，从图5(b)中可以看出肖特基二极管导通和断开两种状态下反射相位的改变量在205ghz-235ghz的频率范围内都在180
°±
20
°
的范围内，最终得到的可重构超表面单元的结构参数如表1所示。
39.表1可重构超表面单元结构参数
[0040][0041]
2可重构超表面设计
[0042]
利用设计的加载肖特基二极管的可重构超表面单元设计了一款包含32
×
32个单元结构的可重构超表面，如图6所示，通过控制不同位置处超表面单元的工作状态(肖特基二极管导通或断开)，可以实现对反射波束的调控，首先对可重构超表面的波束扫描性能进行了仿真。
[0043]
可重构超表面的远场波束调控原理可以用反射阵天线的实现原理来解释。根据阵列理论可知，对于一个由m
×
n个单元组成的反射阵天线，喇叭馈源的位置矢量采用表示，目标波束的方向矢量采用表示，所采用的坐标系如图7所示，则辐射到方向的反射电场总和可以由下式表示：
[0044][0045]
其中，馈源和反射阵单元的方向图函数分别为f和a，是代表编号为mn的反射单元的位置矢量，α
mm
是代表编号为mn的反射单元应该提供的补偿相位的值。由上式可知，当反射阵天线的组成部分和构造尺寸、单元提供的补偿相位都固定不变后，反射阵天线的辐射方位必会随之固定，所以如果已知目标方向，在反射型超表面构造尺寸固定的基础上，能够利用公式计算出各个单元应该提供的补偿相位值，就可以以此设计超表面反射单元的分布，实现预期波束指向。由于所设计的超表面单元仅可以提供两种补偿相位值，所以需要对计算出的单元所需要给予的补偿相位进行量化处理，当超表面单元应该提供的补偿相位的度数位于[-90,90)的区间内，对应的单元处于编码状态
’0’
；当超表面单元应该提供的补偿相位的度数位于[90,270)的区间内，对应的单元处于编码状态
’1’
，图8给出了可重构超表面反射波束指向法向时的阵面编码分布示意图。
[0046]
本发明进行调控反射波束的方法主要通过构建太赫兹可重构超表面，并在太赫兹可重构超表面每个单元上嵌入肖特基二极管，对太赫兹可重构超表面每个单元嵌入的肖特基二极管施加不同偏压条件，可使得太赫兹可重构超表面每个单元具备1bit位的反射调相能力。当对太赫兹可重构超表面不同单元、不同区域单元施加特定的偏压条件，可使太赫兹可重构超表面反射波具备不同相位叠加态，即反射波束指向得到了调控。
[0047]
图9给出了可重构超表面的主极化和交叉极化波束扫描方向图，可以看出所设计的1bit可重构超表面可以实现
±
60
°
的波束扫描范围，波束指向比较准确，且旁瓣抑制均大于10db，交叉极化分量远小于主极化分量。此外，对可重构超表面的多波束综合性能和rcs缩减性能也可以进行仿真评估，相关内容会后续补充。
[0048]
本发明研究设计了一款基于肖特基二极管的太赫兹可重构超表面，所设计的超表面单元在205ghz-235ghz的频率范围内，可以实现反射相位改变量在180
°±
20
°
的范围内，反射幅度大于-6db，为了验证超表面的波束调控能力，对超表面单元进行了组阵分析，超表面实现了
±
60
°
的波束扫描范围，同时具有较低的交叉极化电平和副瓣电平，另外通过阵列
综合，实现了多波束辐射和rcs缩减等功能，所研究的可重构超表面在新一代的6g通信系统中有较大的应用前景。

技术特征：
1.一种太赫兹可重构超表面，其特征在于，超表面采用双层设计，上层为金属贴片，下层为介质基板，介质基板为整块设计，32块正方形金属贴片等间距均匀附着于介质基板上，形成32个单元结构阵列；每个单元结构中金属贴片以居中方式贴附于介质基板上，在金属贴片上沿y轴方向依次居中蚀刻5个相连的内陷矩形结构图案，内陷矩形结构图案为中心对称结构，将金属贴片沿y轴方向截断为对称的两部分，并将居中的矩形结构中心位置放置金属连接片，连接金属贴片的上下两部分，当单元结构上不存在金属连接贴片时，工作在
’0’
状态，当金属连接贴片存在时，工作在
’1’
状态。2.如权利要求1所述的太赫兹可重构超表面，其特征在于，用肖特基二极管替换金属连接片，连接金属贴片的上下两部分，肖特基二极管导通状态下，单元结构工作在
’0’
状态，肖特基二极管断开状态下，单元结构工作在
’1’
状态。3.如权利要求2所述的太赫兹可重构超表面，其特征在于，每个单元结构中介质基板尺寸为340um
×
340um
×
50um，金属贴片以居中方式贴附于介质基板上，金属贴片外沿尺寸为275um
×
275um，5个相连的内陷矩形结构的长宽尺寸依次为：40um
×
10um、70um
×
38um、55um
×
10um、70um
×
38um、40um
×
10um，并于居中矩形结构中心位置放置肖特基二极管，宽度13um。4.如权利要求1或2或3所述的太赫兹可重构超表面，其特征在于，所述金属贴片材料为cu
。
5.如权利要求4所述的太赫兹可重构超表面，其特征在于，介质基板材料为gaas。6.一种利用权利要求1至5中任一项所述太赫兹可重构超表面进行反射波束调控方法，其特征在于，该方法包括：构建太赫兹可重构超表面，在太赫兹可重构超表面每个单元上嵌入肖特基二极管；对太赫兹可重构超表面每个单元嵌入的肖特基二极管施加不同偏压条件，使得太赫兹可重构超表面每个单元具备1bit相位反射调相能力；对太赫兹可重构超表面不同位置的单元施加特定的偏压条件，通过肖特基二极管导通或断开，则可使太赫兹可重构超表面反射波具备不同相位叠加态，即反射波束指向得到了调控。7.如权利要求6所述的反射波束调控方法，其特征在于，构建太赫兹可重构超表面的方法如下：超表面采用双层设计，上层为金属贴片，下层为介质基板，介质基板为整块设计，32块正方形金属贴片等间距均匀附着于介质基板上，形成32个单元结构阵列；每个单元结构中金属贴片以居中方式贴附于介质基板上，在金属贴片上沿y轴方向依次居中蚀刻5个相连的内陷矩形结构图案，内陷矩形结构图案为中心对称结构，将金属贴片沿y轴方向截断为对称的两部分，并将居中的矩形结构中心位置放置金属连接片，连接金属贴片的上下两部分。8.如权利要求7所述的反射波束调控方法，其特征在于，每个单元结构中介质基板尺寸为340um
×
340um
×
50um，金属贴片以居中方式贴附于介质基板上，金属贴片外沿尺寸为275um
×
275um，5个相连的内陷矩形结构的长宽尺寸依次为：40um
×
10um、70um
×
38um、55um
×
10um、70um
×
38um、40um
×
10um，并于居中矩形结构中心位置放置肖特基二极管，宽度13um。9.如权利要求8所述的反射波束调控方法，其特征在于，在太赫兹可重构超表面每个单元上嵌入肖特基二极管是用肖特基二极管替换金属连接片，连接金属贴片的上下两部分，
肖特基二极管导通状态下，单元结构工作在
’0’
状态，肖特基二极管断开状态下，单元结构工作在
’1’
状态。10.如权利要求8所述的反射波束调控方法，其特征在于，所述金属贴片材料为cu，介质基板材料为gaas。

技术总结
本发明属于通信技术领域，涉及一种太赫兹可重构超表面。该超表面采用双层设计，上层为金属贴片，下层为介质基板，32块正方形金属贴片等间距均匀附着于介质基板上，形成32个单元结构阵列；每个单元结构中金属贴片以居中方式贴附于介质基板上，在金属贴片上沿Y轴方向依次居中蚀刻5个相连的内陷矩形结构图案，内陷矩形结构图案为中心对称结构，将金属贴片沿Y轴方向截断为对称的两部分，并将居中的矩形结构中心位置放置金属连接片，连接金属贴片的上下两部分。本发明超表面单元在205GHz-235GHz频率范围内，实现反射相位改变量在180


技术研发人员：陈昊 乔凯 黄石生 王海红
受保护的技术使用者：北京跟踪与通信技术研究所
技术研发日：2022.12.01
技术公布日：2023/7/11