[发明专利]一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面

说明书

本发明提出了一种C波段具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面，所述超表面依次包括金属贴片层，F4B介质层，金属缝隙层，Ro4350B介质层，微带电路层，空气介质层和金属背板层。本发明的技术方案是通过金属贴片层接收电磁波辐射，经过金属缝隙层将能量耦合到微带电路层，经过放大器的放大后，能量又通过微带电路层重新耦合到金属缝隙层，并最终通过金属贴片层再次辐射出去，从而可以在C波段内实现电磁波的反射式放大。本发明的技术方案可以大幅度提高室外通信信号的强度和覆盖范围，从而有效地提高通信质量。

技术领域

本发明涉及一种基于可加载放大器的宽带反射型智能超表面结构的电磁波放大技术，属于通信和新型人工电磁材料领域。

背景技术

随着物联网技术的快速发展，无处不在的无线连接将成为现实，这对第六代移动通信系统的系统容量提出了更高的要求。现有的技术，例如超密集组网、毫米波通信技术等，由于需要更多的基站以及更高的射频频率，这将需要更大的硬件开支、更高的维护成本、更复杂的信号处理和更多能耗。基于此，智能超表面凭借其独特的低成本、低能耗和高可靠性的特点而得到了广泛的关注。

智能超表面是一种人工电磁表面结构，它由大量精心设计的可调谐电磁单元排列而成，可以实现对空间电磁波的智能调控，形成幅度、相位、极化和频率可调谐的电磁场。智能超表面可以被布置在室外或者室内环境，结合已有的收发机来实现对无线信道的联合优化，从而实现对无线信道环境的重塑，实现信噪比提高，信号覆盖范围增强等功能。

但是目前基于智能超表面的系统大多数都依靠智能超表面对电磁波的幅度和相位的调控能力来实现所需功能，而很少考虑实现对电磁信号的放大，这就大大地限制了其作用。因为在实际的应用中，基于智能超表面的通信路径往往比正常的通信路径更长，这就导致了更多的信号损耗。为了解决这个问题，人们通常会采用更大的智能超表面阵列来提高信号强度，但是这又导致了更高的硬件成本。

根据论文《ControllableReflection-enhancementMetasurfacesviaAmplification ExcitationofTransistorCircuit》提出的具有放大功能的智能超表面可以实现电磁信号的放大功能，但是其存在以下技术缺点：

1.该论文中所提出的智能超表面的工作带宽十分窄，无法满足通信系统的要求。

2.该论文中所提出的智能超表面中的每个单元都要装载一个三极管放大器，使得其成本和功耗大幅提高。

基于此，我们需要设计一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面，且尽可能少地装载放大器，以减少成本和功耗。

发明内容

技术问题：为了在宽带范围内有效地增强电磁波信号能量，本发明提供了一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面。利用一种可以加载放大器的宽带反射型超表面结构，实现对入射电磁波的接收，能量放大和再辐射，同时引入功率合成网络和功率分配网络，使得该智能超表面结构可以在宽带范围内实现电磁能量的放大且尽可能地减少放大器的使用以减少成本和功耗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的一种具有电磁波放大功能的宽带反射型智能超表面为多层叠合结构，自上至下顺序设有金属贴片层、F4B介质层、金属缝隙层、Ro4350B介质层、微带电路层、空气介质层和金属背板层；其中，所述的金属贴片层有4个贴片分别分布在F4B介质层上，所述金属缝隙层有4对金属缝隙分别分布在F4B介质层与Ro4350B介质层之间，在Ro4350B介质层的下面设有由微带线构成的微带电路层，在微带电路层与金属背板层之间为空气介质层。

所述的微带电路层由功率合成网络和功率分配网络组成，功率合成网络和功率分配网络相互交错设置，即功率合成网络的一部分位于功率分配网络中，功率分配网络一部分位于功率合成网络中。

所述的功率合成网络由两个相同的反向C形结构的微带线以及连接在该两个相同的反向C形结构的微带线中部的U形微带线组成，U形微带线的中间为第一端口。