多功能動態(tài)波束調(diào)控的太赫茲編碼超表面

王祿煬，蘭 峰,2*，宋天陽，何貴舉，潘一博，張雅鑫,2，陳 智，楊梓強,2

(1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.電子科技大學(xué) 長三角研究院(湖州)，浙江 湖州 313001；3.電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室，四川 成都 611731)

0 引言

太赫茲通信與編碼超表面技術(shù)被廣泛認為是發(fā)展6G無線通信的兩項關(guān)鍵候選技術(shù)。一方面，太赫茲通信具備大容量高速信息傳輸?shù)哪芰1-3]；另一方面，編碼超表面有望以低成本和高度集成化的形式實現(xiàn)對信道環(huán)境的重構(gòu)[4-5]。因此，發(fā)展太赫茲編碼超表面技術(shù)對于在復(fù)雜信道環(huán)境中實現(xiàn)大容量高速通信具有重要意義。在微波至毫米波段，通常采用二極管作為數(shù)字開關(guān)元件進行動態(tài)編碼調(diào)控[6-10]，而在太赫茲頻段二極管復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了嚴重的寄生耦合，因此國內(nèi)外研究者轉(zhuǎn)而探索了基于液晶材料、二氧化釩薄膜、石墨烯等動態(tài)控制元件對太赫茲波進行動態(tài)波束重構(gòu)[11-15]。然而，目前的太赫茲超表面器件仍然面臨著低寄生集成、相位分布精度、調(diào)控速率等關(guān)鍵性問題，同時一些半導(dǎo)體元件還受到工藝制備水平和成本的限制。為克服上述阻礙，通過采用HEMT作為動態(tài)控制元件，設(shè)計了基于非對稱諧振調(diào)控的1 bit相移編碼單元。通過構(gòu)建鏡像子陣來實現(xiàn)陣列相位分布的準二維控制，結(jié)合多種陣列編碼方案對太赫茲波進行多功能波束重構(gòu)，進一步為發(fā)展太赫茲編碼超表面在無線通信領(lǐng)域的實際應(yīng)用奠定了研究基礎(chǔ)。

1 相移單元和編碼陣列設(shè)計

圖1為本文提出的編碼超表面相移單元和編碼陣列的原理圖。如圖1(a)所示，單元結(jié)構(gòu)包括表面嵌入AlGaN/GaN HEMT的復(fù)合金屬圖形、碳化硅介質(zhì)襯底、金屬反射底板。表面金屬圖形由兩條長度不同的微帶結(jié)構(gòu)、一條橫跨HEMT柵極的信號線、兩條與微帶結(jié)構(gòu)相連的地線構(gòu)成。HEMT嵌于兩條微帶結(jié)構(gòu)之間的間隙處，形成與太赫茲波相互作用的非對稱偶極子諧振結(jié)構(gòu)。由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)間的壓電極化效應(yīng)和自發(fā)極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)交界面會形成二維電子氣(Two-Dimensional Electron Gas，2DEG)溝道，通過外加偏置電壓可控制2DEG溝道的載流子濃度，從而調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)對入射波的非對稱諧振強度。通過在不同非對稱諧振模式之間切換，使單元相位響應(yīng)產(chǎn)生接近180°的相移變化。在此基礎(chǔ)上根據(jù)相控陣理論和編碼超表面原理，在360°相位周期內(nèi)，1 bit編碼將具有180°相差的兩種單元狀態(tài)，以二進制編碼為0和1。通過將單元在二維平面上以周期尺寸p排列構(gòu)成如圖1(b)所示的1 bit編碼超表面。沿+y方向上，每個單元之間共享相同的偏置饋線構(gòu)成一個集體控制的單列模塊，柵極饋線引至陣列邊緣連接外置載板通過FPGA輸入電壓信號，地線則連接至陣列中央，通過橫跨一條饋線使得每列控制模塊共地。通過x軸為對稱軸在-y方向設(shè)置鏡像子陣，構(gòu)建準二維控制的陣列。鏡像子陣之間可實現(xiàn)相互獨立的波束重構(gòu)，相比傳統(tǒng)一維列控的方式在提高了陣列對波束調(diào)控靈活性的同時，還不會產(chǎn)生多余饋線增強寄生干擾。

(b) 編碼陣列圖1 相移單元及編碼陣列原理圖Fig.1 Schematic diagrams of the phase-shift unit and coding array

通過在三維電磁仿真軟件CST中通過設(shè)置Flout端口模擬周期邊界條件，計算了在0.32～0.38 THz頻段內(nèi)，太赫茲波以x極化方向正入射下的單元幅相響應(yīng)及諧振電場分布，通過仿真優(yōu)化后的單元幾何參數(shù)為：p=200 μm、h=200 μm、a=25 μm、b=55 μm、w=5 μm。德魯?shù)履Ｐ妥鳛橐环N經(jīng)典色散模型可用于模擬HEMT中溝道載流子濃度的變化情況[16-18]，其表征的等效復(fù)介電常數(shù)為：

(1)

式中，GaN的無窮高頻相對介電常數(shù)ε∞=9.8。虛部中的碰撞頻率νc與HEMT電子遷移率相關(guān)。ωp為等離子頻率，與載流子濃度Ns的關(guān)系為：

(2)

涉及的參量包括電子電荷量e、真空介電常數(shù)ε0、溝道深度d和GaN電子有效質(zhì)量m*。如圖2所示，模擬了耗散型HEMT的載流子濃度從6×1012cm-2減小至0.75×1012cm-2過程中的單元幅相響應(yīng)變化曲線。在起止兩個濃度狀態(tài)之間，0.345～0.362 THz頻段的相移量超過了160°，帶寬達到17 GHz。在0.35 THz頻點附近，兩個濃度狀態(tài)之間的幅值均接近-7.5 dB，且達到了178°的最大相移量。因此，可將載流子濃度為6×1012cm-2和0.75×1012cm-2兩個狀態(tài)的單元分別以二進制編碼0和1表示。

(a) 單元幅值

(b) 單元相位圖2 不同載流子濃度下的單元幅相響應(yīng)Fig.2 Amplitude-phase responses of the unit with different carrier concentration

兩個編碼狀態(tài)之間的單元相移主要是依靠載流子濃度變化來調(diào)節(jié)非對稱諧振強度實現(xiàn)的，通過模擬兩種狀態(tài)下的單元諧振電場分布，直觀地解釋了這種非對稱諧振機制。如圖3所示，長微帶結(jié)構(gòu)相比短微帶結(jié)構(gòu)聚集了更強的電場，從而形成非對稱諧振。在編碼0狀態(tài)切換至編碼1狀態(tài)的過程中，增強了微帶結(jié)構(gòu)上的非對稱諧振強度。不同于傳統(tǒng)基于長短偶極諧振切換或是LC-偶極諧振切換的方式，這種基于非對稱諧振調(diào)節(jié)實現(xiàn)單元相移調(diào)控的方式克服了HEMT在太赫茲頻段的容性寄生，在低開關(guān)比下即可實現(xiàn)寬帶的大范圍相移調(diào)控。

(a) 編碼0單元

2 多功能編碼波束調(diào)控

為基于編碼超表面對太赫茲波進行多功能波束調(diào)控，通過采用分數(shù)化編碼[19]、卷積編碼[20]、分塊編碼和GRS(Golay-Rudin-Shapiro)編碼[21]四種編碼方案，分別實現(xiàn)連續(xù)性波束掃描、多波束調(diào)控和RCS縮減。所采用的編碼方案計算出的編碼矩陣對應(yīng)著編碼超表面陣列上的相位分布，呈現(xiàn)出了從信息域到物理域的數(shù)字化映射關(guān)系。為獲得更豐富的編碼資源，在圖1(b)所示的陣列結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，陣列擴大至由64×64個單元構(gòu)成，其中每1×32個單元構(gòu)成一個集體控制的單列模塊，兩個互為鏡像的子陣各自含有64列控制模塊。通過對大規(guī)模陣列進行編碼數(shù)值計算，實現(xiàn)了太赫茲波的多功能波束重構(gòu)設(shè)計。

2.1 連續(xù)性波束掃描

為在編碼超表面上實現(xiàn)波束的連續(xù)性掃描和精準的定向反射，在之前的工作當(dāng)中提出了一種分數(shù)化編碼方案[19]。根據(jù)廣義斯奈爾定律，假設(shè)陣列上的相位按dφ梯度分布，同相位周期由單元邊長為p的N個單元排列而成，反射波束的角度為：

(3)

當(dāng)dφ=180°時對應(yīng)1 bit編碼的情況，N=1、N=2和N=3對應(yīng)的周期編碼序列分別為[…0 1 0 1…]、[…0 0 1 1…]和[…0 0 0 1 1 1…]，同理可對N取任意正整數(shù)的情況進行編碼。由于N只能取正整數(shù)，這直接影響了反射角θ變化的連續(xù)性和精確度?；诜謹?shù)化編碼方案，通過近似編碼排列對N取任意非零自然數(shù)時的情況進行等效。由于N的取值和周期編碼序列之間具有一一對應(yīng)關(guān)系，下文為簡化描述將用N來表示陣列的實際編碼情況。

在頻率為0.35 THz的平面波正入射下，圖4為針對所述尺寸為p=200 μm的編碼相移單元，計算了以步長ΔN=0.01從N=3到N=12進行1 bit編碼后，在±60°視場范圍內(nèi)的波束方向圖，分數(shù)化編碼使反射波束有效填充了N取整數(shù)時留下的角度盲區(qū)，實現(xiàn)了在-45°～-10°和10°～45°范圍內(nèi)的雙波束連續(xù)掃描。

圖4 雙波束連續(xù)性波束掃描Fig.4 Dual-beams continuous beam scanning

2.2 多波束調(diào)控

以0.35 THz平面波正入射時，圖5分別為編碼超表面利用分塊編碼和卷積編碼進行多波束調(diào)控的遠場方向圖。受益于特殊的準二維饋線排列方式，圖5(a)將編碼超表面劃分為兩個區(qū)域，以N=6排布編碼矩陣C1控制±21°上反射的雙波束，以N=32排布編碼矩陣C2控制±3°上反射的另外一對雙波束，從而使整個陣列達到控制四波束反射的目的。

根據(jù)卷積編碼理論，對于任意兩個分別控制波束在θ1和θ2方向反射的編碼矩陣C1和C2，作卷積操作后將獲得一組新的編碼矩陣Ccon，控制波束在θ=sin-1(sinθ1+sinθ2)方向上反射。由此可見，通過兩組編碼波束的卷積操作，可將其中一組編碼矩陣的波束在另一個波束方向上合成，因此本文考慮對兩組雙波束采用卷積編碼實現(xiàn)四波束調(diào)控。如圖5(b)所示，將N=6排布的編碼矩陣C1和N=32排布的編碼矩陣C2進行卷積操作后，新的編碼矩陣Ccon可由C1和C2在360°相位周期內(nèi)進行二進制加法運算后獲得，并在-21°±3°和21°±3°方向上實現(xiàn)四波束重構(gòu)。

(a) 基于分塊編碼

(b) 基于卷積編碼圖5 多波束調(diào)控的遠場方向圖Fig.5 Far-field patterns of multi-beams manipulation

2.3 RCS縮減

要實現(xiàn)編碼超表面的RCS縮減，需要排列編碼矩陣將入射波向各個方向盡可能均勻地進行散射。利用GRS多項式是一種具有固定編碼排列的次優(yōu)化算法。GRS多項式由具有糾纏遞推關(guān)系的P型和Q型兩種類型組成，多項式系數(shù)構(gòu)成了含有兩種元素{-1,1}的GRS序列，對應(yīng)著兩個狀態(tài)的1 bit編碼單元。序列長度L需滿足2的指數(shù)倍關(guān)系，以保證GRS序列能夠嚴格關(guān)聯(lián)到多項式，從而展現(xiàn)出有利于增強散射的光譜平坦性。GRS序列{Cn}可通過固定的遞推算法獲得，令S0=1，S2n=Sn，S2n+1=(-1)n，其中n=0,1,…,L-1。對于P型序列，滿足Cn=Sn;對于Q型序列，當(dāng)n=0,1，…,L/2-1時滿足Cn=Sn，當(dāng)n=L/2,L/2+1,…,L-1時滿足Cn=-Sn。

隨著序列長度L的指數(shù)倍增加，GRS編碼會體現(xiàn)出更完美的光譜平坦性，從而增強散射能力。因此根據(jù)序列長度L=64的兩種GRS編碼，圖6為增強散射后的遠場方向圖。由于P型和Q型兩種編碼具有糾纏遞推關(guān)系，因此在相同的序列長度下都展現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)脑鰪娚⑸淠芰?，在?0°范圍內(nèi)的反射效率均低于20%。

(a) P型GRS編碼

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于HEMT動態(tài)調(diào)控的編碼單元，通過調(diào)節(jié)HEMT溝道中載流子濃度，調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)非對稱諧振的強度，在低開關(guān)比下實現(xiàn)了帶寬高達17 GHz的大相移調(diào)控，并在0.35 THz附近達到最佳工作頻點，最大相移達到了178°。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的1 bit編碼超表面陣列利用分數(shù)化編碼，在±10°～±45°范圍內(nèi)實現(xiàn)了雙波束連續(xù)性掃描。此外,還同時利用分塊編碼和卷積編碼實現(xiàn)了四波束調(diào)控，以及基于GRS編碼增強散射實現(xiàn)了RCS縮減。所設(shè)計的1 bit編碼超表面提供了一種點對點和多通道復(fù)用的通信技術(shù)方案，此外還有望應(yīng)用于超分辨雷達成像或是被動目標檢測領(lǐng)域，并構(gòu)建基于編碼超表面輔助的通感一體化方案。