本技術(shù)涉及通信，尤其涉及一種電磁超表面單元結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、人工超表面是多個亞波長周期或非周期排列的結(jié)構(gòu)單元組成的二維電磁超材料。當(dāng)電磁場反射或透射時，超表面能夠調(diào)控幅度、相位、極化等電磁特性。超表面通過對電磁波的調(diào)控，可以實現(xiàn)高增益性能的輻射、波束掃描、渦旋波激發(fā)等功能。

2、電磁波的極化是指在空間某位置上，沿電磁場的傳播方向看去，其電場矢量在空間的取向隨時間變化所描繪的軌跡，主要分為線極化、圓極化以及橢圓極化。

3、天線的極化即輻射或接收的電磁波的電場極化，通常定義為：在最大增益方向上，作為發(fā)射天線時輻射電磁波的極化，或作接收時能使天線終端得到最大可用功率方向的入射電磁波的極化。極化電磁波的電場方向稱為極化方向。極化電磁波的極化方向與傳播方向所構(gòu)成的平面稱為極化面。天線的極化在各個方向并非保持恒定，所以天線的極化在其最大指向方向定義才具有意義。

4、若以地面為參考面，線極化可分為垂直極化和水平極化。天線的極化方向垂直于地面時，稱之為垂直極化；極化方向平行于地面時，稱之為水平極化。當(dāng)發(fā)送的電磁波為水平極化時，垂直極化的天線無法接受到信號，反之亦然。天線極化的最簡單理解方式，一個桿狀天線(可以看作一只鉛筆)，沿坐標(biāo)系x軸平行放置時，稱為x極化；沿坐標(biāo)系y軸方向放置時，稱為y極化。為了提升天線的傳輸效率，一般要求天線同時支持線雙極化。最簡單的理解就是一個天線的形狀為十字架結(jié)構(gòu)。對應(yīng)的，超表面單元要同時支持x方向極化和y方向極化，要求左右和上下的結(jié)構(gòu)對稱?；跀?shù)字編碼的超表面設(shè)計，如果沒有特定的規(guī)則，采用隨機生成的方法，上下(x軸)/左右(y軸)不對稱，此時沿x方向和y方向的電流經(jīng)過的電路不同；當(dāng)采用這種隨機生成的方法生成的超表面構(gòu)成天線時，超表面天線即無法支持x方向極化，也無法支持y方向極化，導(dǎo)致天線無法正常工作。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)實施例提供一種電磁超表面單元結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，使得電磁超表面單元可以同時支持兩種極化方式。

2、第一方面，本技術(shù)實施例提供了一種電磁超表面單元結(jié)構(gòu)，所述超表面單元可包括由上至下依次疊層設(shè)置的第一金屬層、介質(zhì)層、第二金屬層；其中，所述第二金屬層用于反射入射信號，所述介質(zhì)層用于承載反射面；所述第一金屬層包括由n*n個方塊組成的方塊陣列，所述方塊陣列包括第一方塊區(qū)域和k個第二方塊區(qū)域，所述第一方塊區(qū)域內(nèi)的任意一個方塊上覆蓋或者不覆蓋金屬片；其中，任意一個所述第二方塊區(qū)域由所述第一方塊區(qū)域經(jīng)過變換得到；所述第一方塊區(qū)域和所述k個第二方塊區(qū)域中所有覆蓋金屬片的方塊構(gòu)成了特定超表面圖形，所述特定超表面圖形用于控制所述入射信號的反射信號的相位θ和幅度，所述特定超表面圖形上下左右對稱或者對角線對稱，n為大于1的整數(shù)，k為大于或者等于1的整數(shù)。

3、本技術(shù)實施例提供了一種電磁超表面單元結(jié)構(gòu)，尤其涉及在基于編碼矩陣設(shè)計超表面單元基礎(chǔ)上，引入了特定的設(shè)計規(guī)則，可以同時支持兩種極化方式?，F(xiàn)有技術(shù)中常見的超表面圖形為上下或者左右對稱的規(guī)則形狀圖案，因而導(dǎo)致其支持的相位/幅度調(diào)整范圍有限，而本技術(shù)實施例中超表面圖形由第一方塊區(qū)域和一個或多個第二方塊區(qū)域(基于第一方塊區(qū)域經(jīng)過變換得到的)中覆蓋金屬片的方塊構(gòu)成，且第一方塊區(qū)域中的任意一個方塊上可以隨機覆或者不覆蓋金屬片，通過對第一方塊區(qū)域的形狀設(shè)計和如何將第一方塊區(qū)域變換為第二方塊區(qū)域的設(shè)計，使得整個方塊陣列中覆蓋金屬片的超表面圖像呈現(xiàn)上下左右均對稱的形態(tài)，且由于第一方塊區(qū)域中覆蓋金屬片方塊的隨機性，因此超表面圖像可呈現(xiàn)非規(guī)則形狀，從而實現(xiàn)了在同時支持雙極化實現(xiàn)的前提下，還可以支持更大范圍的相位/幅度調(diào)整。進一步地，由于本技術(shù)實施例設(shè)計出來的超表面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為不規(guī)則形狀，因此可以獲得更多的設(shè)計自由度，從而有額外的增益。

4、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述變換包括整體變換，或者整體和局部變換；所述整體變換包括旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、鏡像中的一種或多種，所述局部變換包括將除對角線和/或中線區(qū)域以外的方塊進行所述整體變換。

5、本技術(shù)實施例中，方塊陣列所包括的一個或多個第二方塊區(qū)域均是由第一方塊區(qū)域變換而來，具體地，變換包括整體變換或者整體和局部變換，例如，整體變換包括整體旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)、整體鏡像等，而局部變換則包括將除對角線和/或中線區(qū)域以外的方塊進行上述鏡像、旋轉(zhuǎn)等。

6、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述第一方塊區(qū)域內(nèi)包括m個方塊，所述m個方塊對應(yīng)m個編碼比特，每個編碼比特取值為0或1，其中0對應(yīng)不覆蓋金屬片，1對應(yīng)覆蓋金屬片；所述m個編碼比特為比特1、比特2、比特3……比特m，m為大于1的整數(shù)。

7、本技術(shù)實施例中，第一方塊區(qū)中中的每一個方塊對應(yīng)一個編碼比特，即可以理解為第一方塊區(qū)域中的所有方塊對應(yīng)一個編碼矩陣，編碼矩陣中的每個編碼比特取值為0或1，并且，編碼比特為0所對應(yīng)的方塊位置上被設(shè)計為不覆蓋金屬片，編碼比特為1所對應(yīng)的方塊位置上被設(shè)計為覆蓋金屬片。

8、在一種可能的實現(xiàn)方式中，m等于(n/2)*(n/2)，n為偶數(shù)；所述m個編碼比特滿足以下條件：

9、比特(n-1)(n-n)+1到比特n(n-n-1)分布在所述方塊陣列中的第n行的第n+1列到第(n-n)列的位置；n取值為

10、比特(n2/4-n/2+n)到比特(n2/4)分布在所述方塊陣列中的第n行第n列的位置，n＝1、2……n/2。

11、本技術(shù)實施例中，當(dāng)方塊陣列中的行列數(shù)n為偶數(shù)時，第一方塊區(qū)域中的方塊數(shù)量m為(n/2)*(n/2)，并且第一方塊區(qū)域中m個方塊對應(yīng)的m個編碼比特的位置排列滿足上述公式條件，即比特號(1、2、3……m)與方塊陣列行列數(shù)n、陣列中的所在行數(shù)和列數(shù)的關(guān)系。

12、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于3；所述k個第二方塊區(qū)域分別為：將所述第一方塊區(qū)域中的方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)90度得到、整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到、以及整體旋轉(zhuǎn)180度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到。

13、本技術(shù)實施例中，方塊陣列包括1個第一方塊區(qū)域和3個第二方塊區(qū)域，其中3個第二方塊區(qū)域均是由第一方塊區(qū)域變換得到，具體地，變換包括整體變換或者整體和局部變換、例如，包括旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)、整體鏡像或局部鏡像等。

14、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于3；所述k個第二方塊區(qū)域分別為：將所述第一方塊區(qū)域中的方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)180度得到、整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到、整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到。

15、本技術(shù)實施例中，方塊陣列包括1個第一方塊區(qū)域和3個第二方塊區(qū)域，其中3個第二方塊區(qū)域均是由第一方塊區(qū)域變換得到，具體地，變換包括整體變換或者整體和局部變換、例如，包括旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)、整體鏡像或局部鏡像等。

16、在一種可能的實現(xiàn)方式中，n為奇數(shù)；所述m個編碼比特滿足以下條件：

17、比特1到比特n分布在所述方塊陣列中的第列的第1行到n行的位置；

18、比特(n*(n-n)+2)到比特((n+1)n-n2-2n)分布在所述方塊陣列中的第n行的第n+1列到第列、以及第列到(n-n)列的位置；n取值為

19、比特(n2+3)/4到比特分布在所述方塊陣列中的第n行第n列的位置，

20、本技術(shù)實施例中，當(dāng)方塊陣列中的行列數(shù)n為基數(shù)時，第一方塊區(qū)域中的方塊數(shù)量m為并且第一方塊區(qū)域中m個方塊對應(yīng)的m個編碼比特的位置排列滿足上述公式條件，即比特號(1、2、3……m)與方塊陣列行列數(shù)n、陣列中的所在行數(shù)和列數(shù)的關(guān)系。

21、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于3；所述k個第二方塊區(qū)域分別為：將所述第一方塊區(qū)域中的方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到、整體旋轉(zhuǎn)180度并對除對角線和中線部分以外的方塊進行鏡像得到、以及整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線和中線部分以外的方塊進行鏡像再將中線部分方塊旋轉(zhuǎn)180度得到。

22、本技術(shù)實施例中，方塊陣列包括1個第一方塊區(qū)域和3個第二方塊區(qū)域，其中3個第二方塊區(qū)域均是由第一方塊區(qū)域變換得到，具體地，變換包括整體變換或者整體和局部變換、例如，包括旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)、整體鏡像或局部鏡像等。

23、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于3；所述k個第二方塊區(qū)域分別為：將所述第一方塊區(qū)域中的方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到、整體旋轉(zhuǎn)180度并對除對角線和中線部分以外的方塊進行鏡像得到、以及整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線和中線部分以外的方塊進行鏡像再將中線部分方塊旋轉(zhuǎn)180度得到。

24、本技術(shù)實施例中，方塊陣列包括1個第一方塊區(qū)域和3個第二方塊區(qū)域，其中3個第二方塊區(qū)域均是由第一方塊區(qū)域變換得到，具體地，變換包括整體變換或者整體和局部變換、例如，包括旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)、整體鏡像或局部鏡像等。

25、在一種可能的實現(xiàn)方式中，m等于n*(n+1)/2，n為偶數(shù)；所述m個編碼比特滿足以下條件：

26、比特1到比特n分布在所述方塊陣列中的第n行第n列的位置上，n取值為1、2、3、……n；

27、比特到比特分布在所述方塊陣列中的第n行的第n+1列到第n列的位置；n取值為1、2、……(n-1)。

28、本技術(shù)實施例中，當(dāng)方塊陣列中的行列數(shù)n為偶數(shù)時，第一方塊區(qū)域中的方塊數(shù)量m為n*(n+1)/2，并且第一方塊區(qū)域中m個方塊對應(yīng)的m個編碼比特的位置排列滿足上述公式條件，即比特號(1、2、3……m)與方塊陣列行列數(shù)n、陣列中的所在行數(shù)和列數(shù)的關(guān)系。

29、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于1；所述k個第二方塊區(qū)域為將所述第一方塊區(qū)域中的所有方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)90度再進行鏡像得到。

30、本技術(shù)實施例中，方塊陣列包括1個第一方塊區(qū)域和1個第二方塊區(qū)域，其中1個第二方塊區(qū)域是由第一方塊區(qū)域變換得到，具體地，變換包括整體變換或者整體和局部變換、例如，包括旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)、整體鏡像或局部鏡像等。

31、第二方面，本技術(shù)實施例提供了一種電磁超表面單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，所述超表面單元可包括由上至下依次疊層設(shè)置的第一金屬層、介質(zhì)層、第二金屬層；其中，所述第二金屬層用于反射入射信號，所述介質(zhì)層用于承載反射面；

32、所述第一金屬層包括由n*n個方塊組成的方塊陣列，所述方塊陣列包括第一方塊區(qū)域和k個第二方塊區(qū)域；其中，任意一個所述第二方塊區(qū)域由所述第一方塊區(qū)域經(jīng)過變換得到；所述第一方塊區(qū)域內(nèi)包括m個方塊，所述m個方塊對應(yīng)m個編碼比特，分別為比特1、比特2、比特3……比特m；n為大于1的整數(shù)，m為大于1的整數(shù)；所述方法可包括：

33、對所述m個編碼比特進行編碼，其中，每個編碼比特取值為0或者1；

34、根據(jù)所述m個編碼比特的編碼結(jié)果，將所述m個方塊中對應(yīng)編碼比特為1的方塊位置上設(shè)計為覆蓋金屬片，將所述m個方塊中對應(yīng)編碼比特為0的方塊位置上設(shè)計為不覆蓋金屬片。

35、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述第一方塊區(qū)域和所述k個第二方塊區(qū)域中所有覆蓋金屬片的方塊構(gòu)成了特定超表面圖形，所述特定超表面圖形用于控制所述入射信號的反射信號的相位θ和幅度，所述特定超表面圖形上下左右對稱或者對角線對稱，k為大于或者等于1的整數(shù)。

36、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述變換包括整體變換，或者整體和局部變換；所述整體變換包括旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、鏡像中的一種或多種，所述局部變換包括將除對角線和/或中線區(qū)域以外的方塊進行所述整體變換。

37、在一種可能的實現(xiàn)方式中，m等于(n/2)*(n/2)，n為偶數(shù)；所述m個編碼比特滿足以下條件：

38、比特(n-1)(n-n)+1到比特n(n-n-1)分布在所述方塊陣列中的第n行的第n+1列到第(n-n)列的位置；n取值為

39、比特(n2/4-n/2+n)到比特(n2/4)分布在所述方塊陣列中的第n行第n列的位置，n＝1、2……n/2。

40、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于3；所述k個第二方塊區(qū)域分別為：將所述第一方塊區(qū)域中的方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)90度得到、整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到、以及整體旋轉(zhuǎn)180度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到。

41、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于3；所述k個第二方塊區(qū)域分別為：將所述第一方塊區(qū)域中的方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)180度得到、整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到、整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到。

42、在一種可能的實現(xiàn)方式中，n為奇數(shù)；所述m個編碼比特滿足以下條件：

43、比特1到比特n分布在所述方塊陣列中的第列的第1行到n行的位置；

44、比特(n*(n-n)+2)到比特((n+1)n-n2-2n)分布在所述方塊陣列中的第n行的第n+1列到第列、以及第列到(n-n)列的位置；n取值為

45、比特(n2+3)/4到比特分布在所述方塊陣列中的第n行第n列的位置，

46、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于3；所述k個第二方塊區(qū)域分別為：將所述第一方塊區(qū)域中的方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到、整體旋轉(zhuǎn)180度并對除對角線和中線部分以外的方塊進行鏡像得到、以及整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線和中線部分以外的方塊進行鏡像再將中線部分方塊旋轉(zhuǎn)180度得到。

47、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于3；所述k個第二方塊區(qū)域分別為：將所述第一方塊區(qū)域中的方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線部分以外的方塊進行鏡像得到、整體旋轉(zhuǎn)180度并對除對角線和中線部分以外的方塊進行鏡像得到、以及整體旋轉(zhuǎn)90度并對除對角線和中線部分以外的方塊進行鏡像再將中線部分方塊旋轉(zhuǎn)180度得到。

48、在一種可能的實現(xiàn)方式中，m等于n*(n+1)/2，n為偶數(shù)；所述m個編碼比特滿足以下條件：

49、比特1到比特n分布在所述方塊陣列中的第n行第n列的位置上，n取值為1、2、3、……n；

50、比特到比特分布在所述方塊陣列中的第n行的第n+1列到第n列的位置；n取值為1、2、……(n-1)。

51、在一種可能的實現(xiàn)方式中，k等于1；所述k個第二方塊區(qū)域為將所述第一方塊區(qū)域中的所有方塊經(jīng)過整體旋轉(zhuǎn)90度再進行鏡像得到。

52、第三方面，本技術(shù)提供一種半導(dǎo)體芯片，可包括上述第一方面中的任意一種實現(xiàn)方式所提供的電磁超表面單元結(jié)構(gòu)。

53、第四方面，本技術(shù)提供一種芯片系統(tǒng)，可包括：由多個上述第一方面中的任意一種實現(xiàn)方式所提供的電磁超表面單元結(jié)構(gòu)組成的電磁超表面陣列、耦合于所述電磁超表面陣列的控制器、處理器等。

54、第五方面，本技術(shù)提供一種天線裝置，可包括：由多個上述第一方面中的任意一種實現(xiàn)方式所提供的電磁超表面單元結(jié)構(gòu)組成的電磁超表面陣列、耦合于所述電磁超表面陣列的控制器、處理器、天線陣列等。

55、第六方面，本技術(shù)提供一種片上系統(tǒng)soc芯片，該soc芯片包括上述第一方面中的任意一種電磁超表面單元結(jié)構(gòu)、耦合于所述電磁超表面單元結(jié)構(gòu)的控制器。該soc芯片，可以由芯片構(gòu)成，也可以包含芯片和其他分立器件。

56、第七方面，本技術(shù)提供一種處理裝置，該總線通信裝置具有實現(xiàn)上述第一方面中的任意一種電磁超表面單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的功能。該功能可以通過硬件實現(xiàn)，也可以通過硬件執(zhí)行相應(yīng)的軟件實現(xiàn)。該硬件或軟件包括一個或多個與上述功能相對應(yīng)的模塊。

57、第八方面，本技術(shù)提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，該計算機程序被總線系統(tǒng)執(zhí)行時實現(xiàn)上述第二方面中任意一項所述的電磁超表面單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法流程。

58、第九方面，本技術(shù)實施例提供了一種計算機程序，該計算機程序包括指令，當(dāng)該指令被總線系統(tǒng)執(zhí)行時，使得總線系統(tǒng)可以執(zhí)行上述第二方面中任意一項所述的電磁超表面單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法流程。