一種應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信智能超表面的設(shè)計(jì)

崔亦軍，趙志勇，吳建軍，湯 劍，陳烈強(qiáng)

(1.中興通訊股份有限公司，上海 201203；2.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055)

0 引言

超材料是指一類在自然界不存在、具有特殊性質(zhì)和功能的人造材料，通常由具有亞波長(zhǎng)周期或準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)組成[1-2]。早期的超材料功能單一，只能按照固化的模式工作，不能實(shí)時(shí)調(diào)控電磁波，在超材料后期的發(fā)展過(guò)程中，逐漸往“智能化” “信息化”方向發(fā)展，這類超材料稱之為“信息超材料”。與過(guò)去具有單一功能的超材料相比，信息超材料基本單元含有可控微電路。實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，偏壓微電路可以采用PIN管、三極管、MEMS、石墨烯、溫敏器件及光敏器件等元器件實(shí)現(xiàn)。在后端電路不同的控制條件及編程環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)“關(guān)”和“開(kāi)”等不同狀態(tài)，兩種狀態(tài)分別用二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”表征，對(duì)來(lái)波具有不同的相位響應(yīng)。此時(shí)，傳統(tǒng)意義上的超材料具有了信息編碼能力。通過(guò)對(duì)信息超材料的深入設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波多個(gè)維度的調(diào)控，并能夠?qū)崿F(xiàn)一些特別的性質(zhì)和功能，比如負(fù)折射[3-4]、完美吸波體[5-6],以及對(duì)電磁波相位[5]、幅度[7]和極化調(diào)控[8]。智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)正是信息超材料在無(wú)線通信方面一種應(yīng)用。

無(wú)線通信中，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的反射、散射、繞射、透射和干擾，電磁波在無(wú)線信道傳播環(huán)境中會(huì)不斷地衰減，很難以完美傳播的方式將信息傳遞給終端用戶。為了適應(yīng)無(wú)線通信環(huán)境，最常用的手段是采用加大基站的發(fā)射功率、提升終端設(shè)備接收信號(hào)的能力，或者優(yōu)化無(wú)線通信環(huán)境中組網(wǎng)架構(gòu)，例如采用高低頻協(xié)同、使用高增益天線、多點(diǎn)協(xié)作、微站補(bǔ)盲和增大發(fā)射功率等措施，盡最大努力解決信號(hào)在傳播過(guò)程中的不確定因素。智能超表面可以通過(guò)改變電磁單元的排列組成，從而根據(jù)場(chǎng)景需要改變信號(hào)的幅度和相位[4]，進(jìn)而通過(guò)可編程的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線環(huán)境中傳輸信道的優(yōu)化。

在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中引入智能超表面，按需提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量，改變信號(hào)的傳輸特性，被認(rèn)為是未來(lái)無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一[9-11]?，F(xiàn)有研究主要集中針對(duì)RIS功能性方面，如極化轉(zhuǎn)換[8]、隱身[12]和負(fù)折射[13]等偏學(xué)術(shù)方面研究。本文設(shè)計(jì)的反射式智能超表面所展現(xiàn)功能主要側(cè)重于工程應(yīng)用方面，選用PIN管作為控制開(kāi)關(guān)器件，將PIN管表貼到智能超表面單元中的微電路中，通過(guò)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種與現(xiàn)有基站極化方向相匹配的各單元獨(dú)立可調(diào)的反射式智能超表面，每個(gè)單元均可實(shí)現(xiàn)1 bit調(diào)相。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)陣列智能超表面單元的散射場(chǎng)理論以及每個(gè)單元狀態(tài)矩陣，通過(guò)算法優(yōu)化，可以得出實(shí)現(xiàn)不同角度反射電磁波的碼本(每個(gè)基本單元需要控制PIN的狀態(tài))，經(jīng)過(guò)暗室實(shí)測(cè)，不同的碼本能夠?qū)崿F(xiàn)不同角度的反射電磁波出射，工程上驗(yàn)證了反射式智能超表面具有對(duì)電磁波進(jìn)行波束控制調(diào)整的能力，能夠?qū)o(wú)線環(huán)境的傳輸信道進(jìn)行重塑以及優(yōu)化。

1 單元模型及PIN管相應(yīng)等效電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的智能超表面工作頻段為毫米波頻段，智能超表面單元所用等效模型如圖1所示，單元結(jié)構(gòu)金屬層主要包括三部分：帶有PIN管和矩形貼片的表層、金屬地層以及隔直層，各層之間通過(guò)介質(zhì)基板隔開(kāi)。PIN管的一端通過(guò)金屬過(guò)孔連接地層，另一端通過(guò)金屬通孔連接到隔直扇形枝節(jié)，最后通過(guò)扇形枝節(jié)引向后端控制電路，其中扇形枝節(jié)主要起隔離作用[14]，主要防止后端控制信號(hào)對(duì)智能超表面單元表面激發(fā)的射頻信號(hào)形成干擾。由于基站中所發(fā)射信號(hào)的極化方向?yàn)椤?5°方向，為最大程度地反射基站所發(fā)射信號(hào)，智能超表面的極化方向和基站的極化方向需保持一致。由于PIN管只會(huì)對(duì)通過(guò)其PN結(jié)的電流產(chǎn)生響應(yīng)，而表面金屬層表面感應(yīng)電流方向和入射波電場(chǎng)極化方向保持一致，故PIN管所擺放位置方向應(yīng)和入射波電場(chǎng)極化方向保持一致，即斜45°方向。

圖1 RIS基本單元Fig.1 Basic unit of RIS

由于Ansys HFSS仿真模型中，無(wú)法直接使用有源器件建模仿真，因此PIN管需要用等效電路模型代替，其“開(kāi)” “關(guān)”狀態(tài)等效電路如表1所示，“開(kāi)”狀態(tài)等效為電阻和電感串聯(lián)，“關(guān)”狀態(tài)等效為電容和電阻并聯(lián)后再和電感串聯(lián)。實(shí)際工作中，是通過(guò)后端控制信號(hào)控制PIN管的“開(kāi)” “關(guān)”，當(dāng)PIN管處于“開(kāi)”時(shí)，PIN管對(duì)射頻信號(hào)導(dǎo)通;當(dāng)PIN處于“關(guān)”時(shí)，PIN管對(duì)射頻信號(hào)截止，兩種狀態(tài)分別用數(shù)字“1”和“0”表征。為了最大程度地接收來(lái)自基站的信號(hào)，單元陣子的極化方向與現(xiàn)有基站極化方向保持一致，單元尺寸為亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。為最大限度地保證智能超表面的反射增益，應(yīng)使得“開(kāi)”狀態(tài)和“關(guān)”狀態(tài)在360°的相位周期中相位差達(dá)到最大，即二者之間的相位差需保證在180°。

表1 PIN管等效電路模型Tab.1 Equivalent circuit model of PIN

通過(guò)HFSS仿真軟件優(yōu)化，單元陣子在PIN管兩種狀態(tài)下的反射相位如圖2所示，暗灰色線段為PIN管“開(kāi)”狀態(tài)反射相位，橘黃色線段為PIN管“關(guān)”狀態(tài)反射相位差。單元在毫米波工作頻帶內(nèi)開(kāi)狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)的相位差大體可以滿足180°±20°的相位設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)1 bit兩種狀態(tài)的調(diào)相能力。

圖2 RIS單元在PIN管兩種不同狀態(tài)下的反射相位Fig.2 Reflection phase of RIS unit in two different states of PIN

2 智能電磁超表面陣列散射場(chǎng)的理論分析

現(xiàn)用上述單元周期排列形成智能超表面陣列，陣列為正方形，如圖3所示。

圖3 單元陣列Fig.3 RIS unit array

測(cè)試時(shí)，所使用天線為45°極化方向的喇叭天線。其中智能超表面的散射場(chǎng)可大體表示為如下:

Γmnejφmn·fmn(θ,φ).ejk0d(msin θcos φ+nsin θsin φ),

(1)

式中，Amn和αmn表示入射波的幅度和相位，Γmn和φmn表示反射波的幅度和相位，fmn(θ,φ)為歸一化的單元散射方向圖，θmn和φmn激勵(lì)源相對(duì)于發(fā)射源的俯仰角和方位角，d為智能超表面單元周期。由于所設(shè)計(jì)的智能超表面單元可以看成是一種“被動(dòng)”式微帶天線，可用微帶天線的方向圖代替智能超表面單元的散射方向圖，故式中散射方向函數(shù)可寫為f(θ,φ)=cosθ，式(1)可簡(jiǎn)化成為：

Γmnejθmn·ejk0d(msin θcos φ+nsin θsin φ)。

(2)

觀察式(2)，對(duì)于指定的激勵(lì)源，可以根據(jù)每個(gè)單元的“開(kāi)” “關(guān)”狀態(tài)推演出整個(gè)智能超表面的散射場(chǎng)。將兩種不同狀態(tài)單元的反射相位歸一化后，“開(kāi)” “關(guān)”兩種狀態(tài)的反射相位可分別用180°和0°表示，用二進(jìn)制編碼分別表示為1和0。將智能超表面想象成一個(gè)方塊矩陣，超表面中每個(gè)單元一一映射到矩陣中的每個(gè)矩陣元素，該映射關(guān)系具有唯一性。則表示智能超表面各單元開(kāi)關(guān)狀態(tài)的矩陣可表示為：

(3)

將上述映射關(guān)系以及陣列的整體散射帶入算法中優(yōu)化后，可得到相應(yīng)場(chǎng)形圖的碼本。生成的碼本燒入后端控制電路，可控制智能超表面每個(gè)單元的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，每種碼本對(duì)應(yīng)智能超表面反射電磁波的方向圖。

3 智能電磁超表面陣列測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)智能超表面性能，將加工制成的智能超表面放置在暗室中進(jìn)行測(cè)試，本次測(cè)試采用2×2拼接單元組成一個(gè)大的正方形陣列，測(cè)試實(shí)物如圖4所示。

圖4 2×2拼接RISFig.4 2×2 split joint RIS

在暗室中的測(cè)試如圖5所示，其中智能超表面和發(fā)射天線分別固定到對(duì)應(yīng)的測(cè)試工裝上，位置保持固定不變，即電磁波的入射角度保持固定不變，UE接收天線在一個(gè)平面上進(jìn)行移動(dòng)，接收反射電磁波。

圖5 暗室測(cè)試Fig.5 Darkroom testing

本次測(cè)試根據(jù)陣列散射場(chǎng)理論以及算法優(yōu)化輸出了電磁波不同反射角度(-50°、-30°、0°、30°、50°)碼本，把碼本輸入到后端控制電路，通過(guò)暗室實(shí)際測(cè)試，出射電磁波的實(shí)際測(cè)量角度如圖6所示，從圖中可知，實(shí)際測(cè)量角度與理論角度之間的誤差極小，忽略暗室測(cè)試環(huán)境、實(shí)際擺放誤差和加工誤差等方面的因素后，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，在工程上驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的智能超表面對(duì)反射電磁波具有波束方向控制調(diào)整的能力。

圖6 不同碼本實(shí)際掃描角度Fig.6 Actual test scanning angle of different code

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款在毫米波頻段、基于PIN管控制、能夠滿足1 bit調(diào)相的各單元獨(dú)立可調(diào)的反射智能超表面，利用單元在不同狀態(tài)條件下反射相位不同的特性以及陣列散射場(chǎng)的理論，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射電磁波角度的調(diào)整，并且通過(guò)暗室實(shí)測(cè)驗(yàn)證其工程可實(shí)現(xiàn)性，由此說(shuō)明智能超表面能夠重塑以及優(yōu)化無(wú)線環(huán)境傳輸信道，可以按需顯著地提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量。