一種應用于無線網絡通信智能超表面的設計

崔亦軍，趙志勇，吳建軍，湯 劍，陳烈強

(1.中興通訊股份有限公司，上海 201203；2.移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518055)

0 引言

超材料是指一類在自然界不存在、具有特殊性質和功能的人造材料，通常由具有亞波長周期或準周期結構組成[1-2]。早期的超材料功能單一，只能按照固化的模式工作，不能實時調控電磁波，在超材料后期的發展過程中，逐漸往“智能化” “信息化”方向發展，這類超材料稱之為“信息超材料”。與過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。實際實現時，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現。在后端電路不同的控制條件及編程環境下，可實現“關”和“開”等不同狀態，兩種狀態分別用二進制數“0”和“1”表征，對來波具有不同的相位響應。此時，傳統意義上的超材料具有了信息編碼能力。通過對信息超材料的深入設計，可以實現對入射電磁波多個維度的調控，并能夠實現一些特別的性質和功能，比如負折射[3-4]、完美吸波體[5-6],以及對電磁波相位[5]、幅度[7]和極化調控[8]。智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)正是信息超材料在無線通信方面一種應用。

無線通信中，信號在傳輸過程中會經歷復雜的反射、散射、繞射、透射和干擾，電磁波在無線信道傳播環境中會不斷地衰減，很難以完美傳播的方式將信息傳遞給終端用戶。為了適應無線通信環境，最常用的手段是采用加大基站的發射功率、提升終端設備接收信號的能力，或者優化無線通信環境中組網架構，例如采用高低頻協同、使用高增益天線、多點協作、微站補盲和增大發射功率等措施，盡最大努力解決信號在傳播過程中的不確定因素。智能超表面可以通過改變電磁單元的排列組成，從而根據場景需要改變信號的幅度和相位[4]，進而通過可編程的方式實現對無線環境中傳輸信道的優化。

在無線通信網絡中引入智能超表面，按需提高無線網絡覆蓋和容量，改變信號的傳輸特性，被認為是未來無線通信的關鍵技術之一[9-11]?，F有研究主要集中針對RIS功能性方面，如極化轉換[8]、隱身[12]和負折射[13]等偏學術方面研究。本文設計的反射式智能超表面所展現功能主要側重于工程應用方面，選用PIN管作為控制開關器件，將PIN管表貼到智能超表面單元中的微電路中，通過仿真優化設計了一種與現有基站極化方向相匹配的各單元獨立可調的反射式智能超表面，每個單元均可實現1 bit調相。在此基礎之上，根據陣列智能超表面單元的散射場理論以及每個單元狀態矩陣，通過算法優化，可以得出實現不同角度反射電磁波的碼本(每個基本單元需要控制PIN的狀態)，經過暗室實測，不同的碼本能夠實現不同角度的反射電磁波出射，工程上驗證了反射式智能超表面具有對電磁波進行波束控制調整的能力，能夠對無線環境的傳輸信道進行重塑以及優化。

1 單元模型及PIN管相應等效電路設計

本次設計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，單元結構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，各層之間通過介質基板隔開。PIN管的一端通過金屬過孔連接地層，另一端通過金屬通孔連接到隔直扇形枝節，最后通過扇形枝節引向后端控制電路，其中扇形枝節主要起隔離作用[14]，主要防止后端控制信號對智能超表面單元表面激發的射頻信號形成干擾。由于基站中所發射信號的極化方向為±45°方向，為最大程度地反射基站所發射信號，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管只會對通過其PN結的電流產生響應，而表面金屬層表面感應電流方向和入射波電場極化方向保持一致，故PIN管所擺放位置方向應和入射波電場極化方向保持一致，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” “關”狀態等效電路如表1所示，“開”狀態等效為電阻和電感串聯，“關”狀態等效為電容和電阻并聯后再和電感串聯。實際工作中，是通過后端控制信號控制PIN管的“開” “關”，當PIN管處于“開”時，PIN管對射頻信號導通;當PIN處于“關”時，PIN管對射頻信號截止，兩種狀態分別用數字“1”和“0”表征。為了最大程度地接收來自基站的信號，單元陣子的極化方向與現有基站極化方向保持一致，單元尺寸為亞波長結構。為最大限度地保證智能超表面的反射增益，應使得“開”狀態和“關”狀態在360°的相位周期中相位差達到最大，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HFSS仿真軟件優化，單元陣子在PIN管兩種狀態下的反射相位如圖2所示，暗灰色線段為PIN管“開”狀態反射相位，橘黃色線段為PIN管“關”狀態反射相位差。單元在毫米波工作頻帶內開狀態和關狀態的相位差大體可以滿足180°±20°的相位設計要求，能夠實現1 bit兩種狀態的調相能力。

圖2 RIS單元在PIN管兩種不同狀態下的反射相位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的理論分析

現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

測試時，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激勵源相對于發射源的俯仰角和方位角，d為智能超表面單元周期。由于所設計的智能超表面單元可以看成是一種“被動”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可寫為f(θ,φ)=cosθ，式(1)可簡化成為：

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

(2)

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

(3)

將上述映射關系以及陣列的整體散射帶入算法中優化后，可得到相應場形圖的碼本。生成的碼本燒入后端控制電路，可控制智能超表面每個單元的開關狀態，每種碼本對應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試驗證

為了驗證所設計智能超表面性能，將加工制成的智能超表面放置在暗室中進行測試，本次測試采用2×2拼接單元組成一個大的正方形陣列，測試實物如圖4所示。

圖4 2×2拼接RISFig.4 2×2 split joint RIS

在暗室中的測試如圖5所示，其中智能超表面和發射天線分別固定到對應的測試工裝上，位置保持固定不變，即電磁波的入射角度保持固定不變，UE接收天線在一個平面上進行移動，接收反射電磁波。

圖5 暗室測試Fig.5 Darkroom testing

本次測試根據陣列散射場理論以及算法優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，通過暗室實際測試，出射電磁波的實際測量角度如圖6所示，從圖中可知，實際測量角度與理論角度之間的誤差極小，忽略暗室測試環境、實際擺放誤差和加工誤差等方面的因素后，測試結果滿足設計指標要求，在工程上驗證了所設計的智能超表面對反射電磁波具有波束方向控制調整的能力。

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

4 結論

本文設計了一款在毫米波頻段、基于PIN管控制、能夠滿足1 bit調相的各單元獨立可調的反射智能超表面，利用單元在不同狀態條件下反射相位不同的特性以及陣列散射場的理論，可以實現對反射電磁波角度的調整，并且通過暗室實測驗證其工程可實現性，由此說明智能超表面能夠重塑以及優化無線環境傳輸信道，可以按需顯著地提高無線網絡覆蓋和容量。