CN111416212B - 一种主动式智能反射表面设计方法 - Google Patents

一种主动式智能反射表面设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111416212B
CN111416212B CN202010237135.5A CN202010237135A CN111416212B CN 111416212 B CN111416212 B CN 111416212B CN 202010237135 A CN202010237135 A CN 202010237135A CN 111416212 B CN111416212 B CN 111416212B
Authority
CN
China
Prior art keywords
resistor
reflection
negative impedance
impedance
bias
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010237135.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111416212A (zh
Inventor
梁应敞
龙睿哲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN202010237135.5A priority Critical patent/CN111416212B/zh
Publication of CN111416212A publication Critical patent/CN111416212A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111416212B publication Critical patent/CN111416212B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/002—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices being reconfigurable or tunable, e.g. using switches or diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/148—Reflecting surfaces; Equivalent structures with means for varying the reflecting properties

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明属于无线通信设备技术领域，具体涉及一种主动式智能反射表面设计方法。本发明采用M个基于负阻抗电路的反射单元构成智能反射表面，每个反射单元通过有源电路具备负阻抗特性，每个反射单元包含K个可选的负阻抗电路，反射单元通过开关改变接入负阻抗ZL来改变入射信号的相位与幅度的大小，通过改变负阻抗电路负载的电抗值，即可实现反射单元到天线阻抗的匹配。本发明的方法可用于各类通信系统中，通过对入射信号进行相位调整与幅度放大，极大地增强了入射信号的强度，从而提升无线通信的传输效率。

Description

一种主动式智能反射表面设计方法
技术领域
本发明属于无线通信设备技术领域，具体涉及一种主动式智能反射表面设计方法。
背景技术
随着移动互联网与物联网的爆炸式发展，未来通信网络面对着设备持续增长带来的巨流量，巨连接的重大挑战。特别地，在6G新愿景下，通信网络需要实现Tbps级的超巨流量通信，以及支撑每平方米数十终端的超巨连接通信。亟需实现高谱效、高能效的新型传输技术。
近年来，智能反射表面可以部署多个反射单元对无线信道进行智能重编程，从而改善信号的传输质量。因其布置简单，且不需要复杂的主动射频电路器件，如数模转换器，振荡器，上变频器以及功率放大器等，智能反射表面通信被视为下一代高谱效，高能效的通信技术。
传统智能反射表面通信系统需要配置大规模的被动反射单元以解决自身反射能力弱，路径损耗大等问题，导致电路成本，空间成本，以及能耗成本大幅提升。基于负阻抗设计的主动反射单元通过引入有源电路，使得其能够反射放大入射信号，大幅提升自身反射能力，提高信号传输效率。现有主动反射单元已广泛用于反射通信系统中，以增加系统传输范围。智能反射通信系统可以利用主动反射单元进一步改善信号传输性能，进而提高频谱利用效率。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于负阻抗的主动式智能反射表面通信设备设计方法，本发明的主动式智能反射表面设备可用于辅助无线通信信号传输，进一步提高无线通信系统的频谱效率与能量效率。具体而言，在主动式智能反射表面中，每一个独立的反射单元可利用有源电路实现负阻抗特性，对入射信号进行相位调整使得多路反射信号在接收机处相互增强或抵消，同时对入射信号进行幅度放大。
本发明采用的技术方案是：
一种主动式智能反射表面设计方法，采用M个基于负阻抗电路的反射单元构成智能反射表面，每个反射单元通过有源电路具备负阻抗特性，每个反射单元包含K个可选的负阻抗电路，反射单元通过开关改变接入负阻抗ZL来改变入射信号的相位与幅度的大小，即反射系数Γ为：
Figure BDA0002431380200000021
其中，ZA为天线阻抗；以往基于正阻抗设计的反射单元有|Γ|2≤1，本发明将负阻抗负载引入智能反射表面的反射单元中，可实现入射信号的反射放大。
对加载偏置电压为Vbias的负阻抗电路，对功率为Pin、频率为fin的入射信号，负阻抗电路负载的阻抗值为：
ZL(fin,Vbias,Pin)＝-RL+jXL,RL>0
其中，-RL和XL分别表示负阻抗电路负载的电阻值与电抗值，通过改变负阻抗电路负载的电抗值，使得XL＝-XA，XA表示天线的等效电抗，即可实现反射单元到天线阻抗的匹配。
考虑天线电阻有ZA＝RA+jXA，对于负阻抗的反射单元，其反射系数有
Figure BDA0002431380200000022
从上式可观察，反射系数的幅度大于1，故基于负阻抗的反射单元能够实现入射信号的放大。上述所提到的负阻抗负载可通过隧道二极管以及互补金属氧化物半导体(CMOS)等有源器件实现。
作为一种优选方式，本发明方案中负阻抗电路为基于隧道二极管构建的，负阻抗电路包括隧道二极管、偏置电压、偏置电容、偏置电感、直流过滤电容、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，第一电阻R1的一端接开关，另一端通过直流过滤电容后接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端依次通过第三电阻R3和偏置电感后接偏置电压，第二电阻R2和第三电阻R3的连接点依次通过第四电阻R4和第五电阻R6后接隧道二极管的阳极，隧道二极管的阴极接地，第四电阻R4和第五电阻R5的连接点依次通过第六电阻R6和偏置电容后接地。
本发明的有益效果为，本发明提出一种主动式智能反射表面设备设计方案，该主动式智能反射表面可用于各类通信系统中，该设备通过对入射信号进行相位调整与幅度放大，极大地增强了入射信号的强度，从而提升无线通信的传输效率。方案实施简单，且可证明能实现高于为无主动式智能表面辅助的通信系统的传输效率，具有很强的应用价值。
附图说明
图1示出了本发明的主动式智能反射表面设备构成；
图2示出了本发明提出的一种负阻抗实现电路框图；
图3示出了本发明所考虑的一种主动式智能反射表面辅助的无线通信系统；
图4示出了本发明所考虑的一种主动式智能反射表面辅助的无线通信系统信噪比与反射单元幅度的性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述：
以一基于负阻抗的主动式智能反射表面为例。如图1所示，本发明考虑在主动式智能反射表面设备部署M(M≥1)个基于负阻抗的反射单元；每个反射单元有K(K≥1)个负载阻抗(包括负阻抗)可选；负阻抗可通过图2所示基于隧道二极管的电路所实现(负阻抗实现电路的方式多种多样，采用隧道二极管电路实现只是其中一种方式)。在图2电路中，Cdc为直流过滤电容，Cbias为偏置电容，Lbias为偏置电感，Vbias为偏置电压，Ri,i＝1,...,6为电阻，可通过设计具体电阻值使得整体电路阻抗ZL与天线电阻匹配。
基于图1设计的主动式智能反射表面设备，本发明以如下主动式智能反射表面辅助的通信系统为例，进一步详细描述主动式智能反射表面的性能以及可使用方法。
如图3所示，本发明考虑主动式智能反射表面辅助的通信系统如下所示，主动式智能反射表面设备部署M(M≥1)个基于负阻抗的反射单元，发送机与接收机均为单天线。假定发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为pt。接受机信号y(n)可表示如下
Figure BDA0002431380200000031
其中，
Figure BDA0002431380200000032
表示发送机到接收机的直接链路信道，
Figure BDA0002431380200000033
表示发送机到智能反射表面设备的信道，
Figure BDA0002431380200000041
表示智能反射表面设备到接收机的信道，上述两者一起构成智能反射表面辅助信道；
Figure BDA0002431380200000042
为智能反射表面的反射系数对角矩阵，其中φm∈{Γ1,Γ2,...,ΓK},m＝1,...,M表示第m反射单元的反射系数，反射系数Γk的选取可以通过反射单元将其开关接通阻抗负载
Figure BDA0002431380200000043
实现。为方便起见，每个反射系数又可表示为
Figure BDA0002431380200000044
am与θm表示第m个反射系数的幅度与相位，对于主动式智能反射表面设备而言，其反射系数幅度能够大于1；
Figure BDA0002431380200000045
和
Figure BDA0002431380200000046
分别表示在接收机与智能反射表面设备引入的高斯白噪声向量，其协方差矩阵分别为
Figure BDA0002431380200000047
和
Figure BDA0002431380200000048
Figure BDA0002431380200000049
和
Figure BDA00024313802000000410
分别代表接收信号在接收机和主动式智能反射表面的噪声功率，(I代表单位矩阵)。
故在接收机处接收到的信噪比为：
Figure BDA00024313802000000411
如下将给出仿真结果验证上述主动式智能反射表面设计的有效性。我们考虑如下仿真设计，主动式智能反射表面有M＝1，信道增益有设置有|h1|2＝0.2|h2|2＝0.5，|g|2＝0.8，并且智能反射表面的反射单元相位有θ＝arg(h1)-arg(h2)-arg(g)其中arg()表示取相角操作。该相位选取可使得智能反射辅助链路的信号与直接链路的信号同相相加。考虑发送信噪比有
Figure BDA00024313802000000412
图4比较了改变反射单元幅度的情况下，本发明所提出主动式智能反射表面设计对该无线通信信噪比的影响曲线。可以看出，相比较没有主动式智能反射表面(a＝0)以及只有被动式智能反射表面(a＝1)的情况，在最优幅度设计(a＝a*)下,本发明所提出的主动式智能反射表面能够提供更好的信噪比提升。因此本发明提出的主动式智能反射表面设计具有很强的实用价值，提高其辅助的通信系统传输性能。

Claims (1)

1.一种主动式智能反射表面设计方法，其特征在于，采用M个基于负阻抗电路的反射单元构成智能反射表面，每个反射单元通过添加有源电路使负载阻抗具备负阻抗特性，每个反射单元包含K个可选的负阻抗电路，反射单元通过开关改变接入负阻抗ZL来改变入射信号的相位与幅度的大小，即反射系数Γ为：
Figure FDA0002900250140000011
其中，ZA为天线阻抗；
对加载偏置电压为Vbias的负阻抗电路，对功率为Pin、频率为fin的入射信号，负阻抗电路负载的阻抗值为：
ZL(fin,Vbias,Pin)＝-RL+jXL,RL>0
其中，-RL和XL分别表示负阻抗电路负载的电阻值与电抗值，通过改变负阻抗电路负载的电抗值，使得XL＝-XA，XA表示天线的等效电抗，即可实现反射单元到天线阻抗的匹配；
所述负阻抗电路包括隧道二极管、偏置电压、偏置电容、偏置电感、直流过滤电容、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，第一电阻R1的一端接开关，另一端通过直流过滤电容后接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端依次通过第三电阻R3和偏置电感后接偏置电压，第二电阻R2和第三电阻R3的连接点依次通过第四电阻R4和第五电阻R5后接隧道二极管的阳极，隧道二极管的阴极接地，第四电阻R4和第五电阻R5的连接点依次通过第六电阻R6和偏置电容后接地。
CN202010237135.5A 2020-03-30 2020-03-30 一种主动式智能反射表面设计方法 Active CN111416212B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010237135.5A CN111416212B (zh) 2020-03-30 2020-03-30 一种主动式智能反射表面设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010237135.5A CN111416212B (zh) 2020-03-30 2020-03-30 一种主动式智能反射表面设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111416212A CN111416212A (zh) 2020-07-14
CN111416212B true CN111416212B (zh) 2021-04-02

Family

ID=71493330

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010237135.5A Active CN111416212B (zh) 2020-03-30 2020-03-30 一种主动式智能反射表面设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111416212B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113162642B (zh) * 2021-02-07 2022-11-18 西安电子科技大学 一种低功耗高灵敏度的唤醒接收机
CN113764901B (zh) * 2021-08-24 2022-08-19 西安电子科技大学 一种可实现太阳能自供电的混合可重构智能反射表面
CN113764900B (zh) * 2021-08-23 2022-07-01 西安电子科技大学 一种集成有太阳能电池的混合可重构智能反射表面
CN114157333A (zh) * 2021-10-28 2022-03-08 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种新型的基于可重构智能表面的共生无线通信系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110278017A (zh) * 2019-06-27 2019-09-24 广东工业大学 一种基于智能反射面的多天线无线能量传输系统与方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110278017A (zh) * 2019-06-27 2019-09-24 广东工业大学 一种基于智能反射面的多天线无线能量传输系统与方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Large Intelligent Surface/Antennas (LISA):Making Reflective Radios Smart";Ying-Chang Liang et al;《Journal of Communications and Information Networks》;20190630;第41-48页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111416212A (zh) 2020-07-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111416212B (zh) 一种主动式智能反射表面设计方法
US7633355B2 (en) Variable matching circuit
CN1762097B (zh) 匹配电路和包括匹配电路的功率放大器
CN101197580B (zh) 一种阻抗匹配处理装置及阻抗匹配处理方法
CN111464223B (zh) 一种主动式智能反射表面辅助通信系统
CN102694520B (zh) 正交晶格匹配网络
WO1994025997A1 (en) Apparatus and method for varying the coupling of a radio frequency signal
JP3430140B2 (ja) 逆ｆアンテナおよびそれを用いた無線装置
WO1999063623A1 (en) Extended bandwidth dual-band patch antenna systems and associated methods of broadband operation
JPH10308603A (ja) 超小型電子機械式スイッチを用いたチューナブルマイクロ波ネットワーク
Alibakhshikenari et al. Impedance matching network based on metasurfaces (2-D metamaterials) for electrically small antennas
CN100477509C (zh) 无线通信频率信号放大装置及发送和接收装置
CN103797719A (zh) 自动调谐电路
CN101882910A (zh) 提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路
CN201733278U (zh) 提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路
Barousis et al. Massive antenna arrays with low front-end hardware complexity: An enabling technology for the emerging small cell and distributed network architectures
EP1087538B1 (en) Transmitting-receiving switch
CN203104423U (zh) 一种多工作频段的天线电路及移动终端
CN110098491A (zh) 一种可配置有源集成天线阵列
US10560072B2 (en) Non-foster active antenna
US20220385239A1 (en) Radio frequency (rf) equalizer in an envelope tracking (et) circuit
CN108649974B (zh) 一种功率放大器及射频发射机
US6963241B2 (en) Method and apparatus for increasing the efficiency of a transmitter
Samanta et al. Design and development of high efficiency rectenna at 24 GHz for wireless power transfer
CN116707489B (zh) 一种高集成度小型化宽幅阻抗调谐器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant