本發(fā)明涉及人工電磁材料領(lǐng)域，尤其涉及一種超表面單元及超表面系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著人工智能、邊緣計算、智慧城市等前沿技術(shù)的迅速發(fā)展，構(gòu)建萬物互聯(lián)、實時交互和安全可靠的信息通信網(wǎng)絡(luò)成為迫切需求。然而，隨著通信頻段的不斷升高，單個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍逐步縮小，基站和ap等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的部署數(shù)量大幅增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)部署成本和能耗劇增。尤其是采用超大規(guī)模天線和mimo等新技術(shù)后，基站的功耗顯著提升，進(jìn)一步推高了網(wǎng)絡(luò)的運營成本。這使得尋找一種既便捷、經(jīng)濟(jì)性又好的信息通信方案顯得尤為重要。

2、在此背景下，ris（reconfigurable?intelligent?surface，可重構(gòu)超表面）技術(shù)作為一種前景廣闊的解決方案得到了廣泛關(guān)注。ris通過大規(guī)模獨立調(diào)控的微波單元組成二維陣列，能夠靈活控制反射電磁波的幅度、相位及極化方向，從而實現(xiàn)電磁環(huán)境的智能化調(diào)控。然而，ris系統(tǒng)在實現(xiàn)大規(guī)模部署時，仍然面臨諸如系統(tǒng)集成、能效優(yōu)化、材料選擇及電源供給等方面的挑戰(zhàn)。因此，如何在提升超表面系統(tǒng)的電磁波反射能力的同時，優(yōu)化其供電方案、降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性成為現(xiàn)有技術(shù)亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種超表面單元及超表面系統(tǒng)，既實現(xiàn)了自給自足的供電功能，又確保了電磁波的高效調(diào)控，結(jié)構(gòu)簡單且易于遷移，同時提高了光伏發(fā)電效率。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種超表面單元，包括：

4、有源超表面單元，所述有源超表面單元包括偏置線路和可調(diào)元件，所述可調(diào)元件響應(yīng)于通過所述偏置線路施加的不同偏置電壓以改變所述有源超表面單元的電磁響應(yīng)特性；

5、太陽能電池板，所述太陽能電池板的表面覆蓋有透光電極以同時實現(xiàn)能量收集和電磁波調(diào)控；

6、所述有源超表面單元和所述太陽能電池板層疊設(shè)置。

7、進(jìn)一步地，所述超表面單元還包括基板和用于隔離和防護(hù)所述太陽能電池板的介質(zhì)層，所述有源超表面單元、所述基板、所述介質(zhì)層及所述太陽能電池板依次層疊設(shè)置，所述基板和所述介質(zhì)層均采用透光性材料。

8、進(jìn)一步地，所述有源超表面單元還包括第一凸型電極和第二凸型電極，所述第一凸型電極和第二凸型電極的一端通過所述可調(diào)元件相連接，所述第一凸型電極和第二凸型電極的另一端分別與所述偏置線路相連接；通過所述偏置線路施加的不同偏置電壓，形成作用于所述第一凸型電極與所述第二凸型電極之間的電壓差，所述可調(diào)元件的電路特性基于所述電壓差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變所述有源超表面單元的電磁響應(yīng)特性。

9、進(jìn)一步地，所述第一凸型電極、第二凸型電極和所述透光電極選用透明導(dǎo)電材料、透光金屬柵格中的任一種或兩種組合。

10、進(jìn)一步地，所述偏置線路包括第一偏置線路、第二偏置線路和扇形偏置，所述第一偏置線路與所述第一凸型電極連接，所述第二偏置線路與所述第二凸型電極連接，所述扇形偏置連接在所述第二偏置線路與所述第二凸型電極的連接處。

11、第二方面，本發(fā)明提供了一種超表面系統(tǒng)，包括光伏線路、電源轉(zhuǎn)換裝置、fpga控制系統(tǒng)和多個上述的超表面單元，所述光伏線路與多個所述超表面單元的太陽能電池板連接，將多個所述太陽能電池板相互串聯(lián)形成一套電池組；所述電池組通過所述光伏線路接入所述電源轉(zhuǎn)換裝置從而為所述fpga控制系統(tǒng)提供直流電源；所述fpga控制系統(tǒng)與多個所述超表面單元中的偏置線路連接，用于對每個超表面單元施加偏置電壓，從而動態(tài)管理和控制所述超表面單元的電磁響應(yīng)特性。

12、進(jìn)一步地，所述電源轉(zhuǎn)換裝置包括dc/dc設(shè)備、mppt設(shè)備、穩(wěn)壓電路和配電單元；所述dc/dc設(shè)備的輸入端與所述電池組連接，用于將所述電池組輸出的直流電轉(zhuǎn)換為所需電壓等級；所述mppt設(shè)備的輸入端與所述電池組連接，用于實時測量所述電池組的電壓和電流值；所述mppt設(shè)備的控制端與所述dc/dc設(shè)備連接，用于根據(jù)測得的所述電池組的電壓和電流值生成控制信號，動態(tài)調(diào)整所述dc/dc設(shè)備的等效電阻使其與所述電池組內(nèi)阻匹配以實現(xiàn)所述電池組的最大功率輸出；所述dc/dc設(shè)備的輸出端與所述穩(wěn)壓電路連接，所述穩(wěn)壓電路與所述配電單元連接，用于為所述fpga控制系統(tǒng)提供電壓穩(wěn)定的電源。

13、進(jìn)一步地，所述fpga控制系統(tǒng)包括通信感知單元和fpga控制主機(jī)，所述通信感知單元，用于收集主通信基站的入射波束信息和目標(biāo)波束信息；所述fpga控制主機(jī)，通過偏置線路延伸線與所述超表面單元的偏置線路相連接，所述偏置線路中的第一偏置線路將同一排超表面單元的第一凸型電極串聯(lián)，并連接至所述fpga控制主機(jī)的電源地線；所述偏置線路中的第二偏置線路分別連接每個超表面單元的第二凸型電極，且各超表面單元的第二偏置線路互不相連，最終連接至所述fpga控制主機(jī)，以確保所述fpga控制主機(jī)對每個超表面單元的偏置電壓進(jìn)行獨立調(diào)節(jié)，并根據(jù)所述通信感知單元提供的波束信息，動態(tài)管理和控制所述超表面單元的電磁響應(yīng)特性。

14、進(jìn)一步地，所述超表面系統(tǒng)還包括儲能系統(tǒng)，所述儲能系統(tǒng)包括儲能電池和電量監(jiān)測單元，所述電源轉(zhuǎn)換裝置還包括充電/放電單元，

15、所述充電單元的輸入端與所述dc/dc設(shè)備的輸出端連接，用于接收所述dc/dc設(shè)備提供的電能；所述充電單元的輸出端與所述儲能系統(tǒng)連接，用于將電能傳輸至所述儲能系統(tǒng)并為所述儲能電池充電；

16、所述放電單元的輸入端與所述儲能系統(tǒng)連接，用于將所述儲能系統(tǒng)中儲能電池的電能輸出至所述dc/dc設(shè)備；所述放電單元的輸出端與所述dc/dc設(shè)備的輸入端連接，所述dc/dc設(shè)備的輸出端與所述穩(wěn)壓電路連接，所述穩(wěn)壓電路與所述配電單元連接，用于為所述fpga控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源；

17、響應(yīng)于所述電源轉(zhuǎn)換裝置的供電電壓不滿足所述fpga控制系統(tǒng)供電要求，所述電源轉(zhuǎn)換裝置切換至所述儲能電池為fpga控制系統(tǒng)提供電源；所述電量監(jiān)測單元實時監(jiān)測所述儲能電池的電量及其工作狀態(tài)，從而確保所述儲能電池能夠在需要時為fpga控制系統(tǒng)提供電源。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少存在以下有益效果：

19、1.?本發(fā)明實施例提供的超表面單元通過將有源超表面單元與太陽能電池板相結(jié)合，實現(xiàn)了能量收集與電磁波調(diào)控的雙重功能。首先，太陽能電池板表面覆蓋透光電極，不僅能有效收集太陽能，還能作為電磁功能的載體。其次，有源超表面單元通過偏置電壓調(diào)節(jié)其電磁響應(yīng)特性，從而靈活控制電磁波的反射、透射或吸收特性。將兩者層疊設(shè)置，不僅節(jié)省空間，提升了系統(tǒng)的集成度，還能夠在保證能量收集效率的同時，實現(xiàn)對電磁環(huán)境的動態(tài)調(diào)控，適用于多種場景。

20、2.?本發(fā)明實施例提供的超表面單元通過基板為有源超表面單元和太陽能電池板提供支撐，確保了整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和耐久性。同時，透光性的介質(zhì)層為太陽能電池板提供了有效的隔離與防護(hù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，防止外界因素對電池的損害。此外，透明導(dǎo)電材料或透光金屬柵格在保證電極導(dǎo)電性能的同時，進(jìn)一步提高了透光性，確保了太陽能電池的能量收集效率與超表面電磁波調(diào)控功能的兼顧。

21、3.?本發(fā)明實施例提供的超表面系統(tǒng)通過太陽能電池板形成的電池組實現(xiàn)了自供電，無需外部電源，具備高度的自給自足性，尤其適合在遠(yuǎn)程或難以接入電網(wǎng)的環(huán)境中應(yīng)用。太陽能電池板不僅能夠為fpga控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，還兼具電磁反射層的功能，參與超表面單元的電磁波調(diào)控。通過光伏線路與電源轉(zhuǎn)換裝置的協(xié)同作用，太陽能電池的電能可以高效供給fpga控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)靈活管理和調(diào)節(jié)超表面單元的工作狀態(tài)。同時，超表面單元中的有源超表面功耗較低，不僅延長了超表面系統(tǒng)的工作時間，還進(jìn)一步優(yōu)化了能源利用效率，使超表面系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行，具備良好的環(huán)境適應(yīng)性和能量自足性。