CN112881815A - 一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器 - Google Patents

一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于可编程超表面的场模拟器，通过现场可编程阵列组成的硬件控制系统对由独立单元组成的可编程超表面反射阵调控，使每个单元呈现所需要的状态。当激励源照射到超表面反射阵上时，其反射波能够在目标电磁环境模拟区模拟出所需要的任意目标场，该任意目标场是单一平面波或是多个不同角度、幅度、相位的平面波所合成叠加波。通过对现场可编程阵列组成的硬件控制系统输入复振幅全息算法以及单元幅相配置后的计算结果后产生数字信号，通过可编程超表面反射阵制作出该任意目标场，并且该任意目标场可实时切换。本发明实现高质量任意电磁环境，以替代多路径目标产生和测试中需要的复杂多探头布局，应用于电磁测试中的场模拟仿真，通信天线电磁环境模拟及测量领域。

Description

一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器
技术领域
本发明涉及电磁测试领域内的场模拟仿真，包括电磁环境或通信信道模拟，具体涉及一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器。主要应用于通信天线电磁环境模拟以及测量领域中。
背景技术
随着毫米波以及更高频段信号的使用，天线的工作频率越来越高，同时还需要使用大规模的MIMO阵列。而对于这样高性能高精度天线，除了成本问题以外，如何完成天线在实际环境下的测量工作也是巨大考验。现如今毫米波太赫兹频段的测量技术主要为空口(OTA)测试。在这之中对于不同的簇和不同的时延组合而成的复杂接收端信号，通常需要大量的设备和足够大的实验环境以及不同角度、不同时延的发射天线。这对建立系统和建立实验场地带来了巨大的挑战。为此需要更好的测试环境和更强大的管理功能。
超表面是一种亚波长结构的人工层状电磁材料，通过设计亚波长单元结构以及空间排布方式，能够灵活有效的调控电磁波。同时随着二极管等有源器件的加入，以及有源控制系统对超表面的编码，更提高了这种可编程超表面的灵活性和可控性。通过控制空间特定位置的电磁场特性，能够在测试系统集成化和简单化，测试场模拟等诸多方面实现改进及优化。由于这种可编程超表面在上述这些方面的优秀能力，使其在改进无线通信测试系统、毫米波测试、电磁环境或通信信道模拟这类问题中有巨大潜力和应用前景。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，利用可编程超表面这种可控、高度集成化且低成本的新一代电磁材料，实现不同角度多个平面波叠加后的波前重构以及任意场形态模拟；在保证系统不同功能实时动态切换的基础上，简化了系统体制，节约了系统成本。
本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案：一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，该模拟器由超表面反射阵及其激励源、现场可编程门阵列组成的硬件控制系统和目标电磁环境区组成，其中，所述的超表面反射阵为一平面阵列；所述的激励源，是单个点源；所述的硬件控制系统，是通过现场可编程门阵列FPGA电子设备对反射阵各个单元进行控制；所述的目标电磁环境区，是由馈源照射反射阵形成的任意波电磁场区域，用于雷达通信领域内的场模拟仿真测试以及电磁环境或通信信道模拟和测试；
进一步的，所述基于可编程超表面反射阵的场模拟器，由相同结构尺寸的单元在x和y二维方向上以单元边长为周期排列组成的阵列形式，所述单元包括一侧矩形上层金属结构(1-1)、另一侧矩形上层金属结构(1-2)，一侧矩形上层金属结构(1-1)、另一侧矩形上层金属结构(1-2)尺寸相同，在x方向镜像对称；所述单元包括多边形上层金属结构(1-3)、第一PIN二极管(2-1)焊接于一侧矩形上层金属结构(1-1)与多边形上层金属结构(1-3)之间，第二PIN二极管(2-2)焊接于另一侧矩形上层金属结构(1-2)另一侧矩形上层金属结构(1-1)另一侧矩形上层金属结构(1-2)与多边形上层金属结构(1-3)之间；所述单元包括第一层介质(3)、中层金属地板(4)、第二层介质(5)，下层金属背板(6)。
进一步的，所述周期排布单元结构是通过印刷电路板工艺制成。第一层介质基板材料为RT5870，第二层介质基板材料为RO4350。
所述周期排布单元结构由四种状态，即二极管处于“00/01/10/11”的四种状态是，单元反射相位差90°。
所述硬件控制系统，通过FPGA电子设备与直流馈线正负极相连对各个单元进行控制，用于将信道建模、复振幅全息算法计算以及单元幅相配置后产生的数字信号输入到单元中，并控制用所述可编程超表面反射阵在目标电磁环境模拟区模拟所需要的任意目标场环境，实现任意目标场的模拟，同时能够随所需目标变化实时切换。
所述基于可编程超表面反射阵的场模拟器工作时，实现的目标电磁环境模拟区是真实电磁环境，幅度、相位及位置可以任意指定，是经过硬件控制系统和可编程超表面反射阵调整后模拟出的任意目标场。并且模拟的任意目标场可以是通信天线实际工作所处的电磁环境或电磁测试中所需要的测量环境，也可以任意随机生成的电磁场。
所述基于可编程超表面反射阵的场模拟器，所述目标电磁环境模拟区形成的任意目标场能应用于电磁测试中的场模拟仿真，包括通信天线电磁环境模拟以及测量领域中。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用可编程超表面对电磁波在时间与空间上的调控特性，实现了任意目标场的模拟，该任意目标场可随目标实时切换和变化，有利于模拟测试所需更为逼真和多变的任意目标场。
(2)本发明所提出的系统为采用了一种可编程超表面反射阵，无需现有测量过程中存在的空间探头分布环境以及多路控制系统、移相器等元件，简化了系统体制，节约了相关天线测量过程中的成本。能够在通信天线电磁环境模拟以及测量领域中获得广泛的应用。
附图说明
图1是本发明的系统工作原理示意图，其中，1为可编程超表面反射阵，2为激励源，3为硬件控制系统，4为目标电磁环境模拟区；
图2是可编程超表面反射阵单元整体结构图，其中(a)是可编程超表面反射阵单元整体示意图，(b)可编程超表面反射阵单元整体背面视图；第二层介质5，下层金属背板6；
图3(a)和图3(b)分别是可编程超表面反射阵单元在四种编码状态下(PIN二极管导通或截断)反射幅度和相位随频率变化的仿真结果。
图4是可编程超表面反射阵对于随机的目标电磁环境的模拟效果；(a)和(b)分别表示某个随机目标电磁环境的幅度和相位，(c)和(d)分别表示理想口径情况下所述的可编程超表面反射阵的幅度和相位模拟效果；
图5中的(a)和(b)分别是可编程超表面反射阵场模拟器在统计特征基准下对于目标幅度和相位模拟情况的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明基于可编程超表面反射阵的场模拟器由可编程超表面反射阵1由超表面反射阵1、激励源2、现场可编程门阵列组成的硬件控制系统3和目标电磁环境模拟区4组成。可编程超表面反射阵1由边长为5mm的N*N个单元组成所述的可编程超表面反射阵上的所有PIN二极管均由所述现场可编程门阵列组成的硬件控制系统3独立控制，得到不同可编程超表面反射阵工作状态。激励源2工作频率为28GHz，激励源2与可编程超表面反射阵1之间的入射角为θi，目标电磁环境模拟区4在与可编程超表面反射阵1反射角为θr距离为d处一定范围内。
可编程超表面反射阵单元结构如图2所示。该单元由三层金属层和两层介质层组成，采用多层印刷电路板制作工艺实现。第一层介质3选用相对介电常数2.33，损耗正切为0.0012，厚度为0.787mm的RT5870介质板；第二层介质5选用相对介电常数3.48，损耗正切为0.0037，厚度为0.338mm的RO4350介质板。上层金属结构是特殊设计的金属反射面，包括一侧矩形上层金属结构1-1、另一侧矩形上层金属结构1-2以及多边形上层金属结构1-3，一侧矩形上层金属结构1-1、另一侧矩形上层金属结构1-2尺寸相同，在x方向镜像对称；一侧矩形上层金属结构1-1与多边形上层金属结构1-3之间焊接型号为(MACOM-MADP-14020w)的第一PIN二极管2-1，另一侧矩形上层金属结构1-2与多多边形上层金属结构1-3之间焊接相同型号第二PIN二极管2-2；中层金属地板4作为金属反射面和隔离地层，通过金属通孔与顶层六边形结构连接；下层金属背板6是扇形结构，其圆心通过金属通孔与顶层矩形结构连接构成直流回路。
图3是具体实施过程中采用可编程超表面反射阵单元不同状态下单元幅度和相位随频率变化的仿真结果。该单元在所设计的频点及其带宽800MHz范围内可获得相位差90度的4个反射相位，分别为48.1，-126.8，139.2，-40.0度，对应00/01/10/11四个状态，如图3中的(b)所示，此时其反射幅度值分别为-0.03，-4.14，-2.89，-1.10dBV/m，如图3中的(a)所示，不同的反射相位受PIN二极管通断状态控制。通过该结果得到所述单元不同状态下的幅度及相位值，并通过电磁计算以及优化算法建立目标电磁环境区域与可编程超表面反射阵间的关系，使其能够实现任意电磁场的模拟。
图4是随机的目标电磁环境以及在理想口径情况下的幅度及相位模拟效果。利用计算机模拟随机一组发射和接收天线传播过程而得到通信过程中接收天线所处的电磁环境，并在接收天线处进行信道建模，得到了图4中(a)和(b)表示的接收天线处电磁场主极化方向的幅度和相位，即所需要模拟的任意目标场。将上述幅度和相位信息代入到硬件控制系统中，首先经过复振幅全息算法将任意目标场转化为激励源照射可编程超表面反射阵后产生的反射相位；再通过单元幅相配置将反射相位转化为每个单元所需的离散数字信息；最后采用FPGA硬件控制系统将数字信息转化为PIN二极管的通断状态以形成所需要的可编程超表面反射阵工作状态，并在目标电磁环境模拟区产生所需要的真实电磁环境，同时也是图4(a)和(b)中所需要模拟的任意目标场。图4中的(c)和(d)表示在理想口径情况下经过上述过程得到的幅度和相位，对比图4(a)和(c)以及图4(b)和(d)可以看出，模拟出的任意目标场的幅度和相位和所需要的任意目标场的幅度和相位几乎一致，模拟效果良好。表明通过本发明的一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器能够完成任意目标场的模拟。
本发明优选实例：
如图1所示的可编程超表面反射阵场模拟器示意图，工作频率28GHz，反射阵尺寸D为20个波长；焦距F等于D，且馈源与反射阵呈正入射关系，即θi为0度；任意目标场所处的目标电磁环境模拟区距离反射阵的垂直距离d选择近场处，距离d等于2D，出射角θr选择30度。由计算机生成一组的随机的复杂电磁环境，作为所需要的任意目标场。对于该复杂电磁场，采用统计特征参量对其进行描述，其幅度概率分布经过莱斯分布拟合如图5中的(a)中实线所示，相位概率分布经过多项式拟合之后如图5中的(b)中实线所示。
在上述参数及布局情况下，所述基于可编程超表面反射阵场模拟器在目标电磁环境模拟区对于该任意目标场的幅度及相位模拟情况和全波仿真结果如图5中的(a)(b)中虚线所示。模拟出的任意目标场的幅度概率分布经过莱斯分布拟合后如图5中的(a)中虚线所示，对比图5中的(a)中实线和虚线，两者曲线较为接近，可以认为所述基于可编程超表面反射阵场模拟器对于幅度的模拟效果良好；模拟出的任意目标场的相位概率分布经过多项式拟合之后(b)中虚线所示，对比图5中的(b)中的实线和虚线，两者皆贴近均匀分布且差距较小，可以认为所述基于可编程超表面反射阵场模拟器对于相位的模拟效果良好。该结果表明，本发明对于任意目标场的模拟效果良好，所实现的任意目标场模拟能够满足其设计和应用所需要求。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (7)

1.一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，其特征在于：所述模拟器由可编程超表面反射阵及其激励源、现场可编程门阵列组成的硬件控制系统和目标电磁环境模拟区组成，其中：
所述可编程超表面反射阵，为用单元组成的一平面阵列，由印刷电路板工艺制成的精密表面，将激励源发出的电磁波反射后，在要求距离上的目标电磁环境模拟区形成所需的单个或多个路径叠加的任意电磁场；
所述激励源，为单个点源或阵列天线，用于激励所述可编程超表面反射阵；
所述硬件控制系统，通过现场可编程门阵列FPGA电子设备对可编程超表面反射阵中各个单元，用于将目标电磁环境模拟区所需要的任意目标场进行信道建模、复振幅全息算法计算以及单元幅相配置后产生数字信号，通过可编程超表面反射阵制作出该任意目标场，并且使该任意目标场能够实时切换；
所述目标电磁环境模拟区，是真实电磁环境，包括所需要模拟的任意目标场幅度、相位及位置信息，是经过硬件控制系统和可编程超表面反射阵调整后模拟出的任意目标场。
2.根据权利要求1所述的一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，其特征在于：所述平面阵列由相同结构尺寸的单元在x和y二维方向上以单元边长为周期排列组成的阵列，所述单元包括一侧矩形上层金属结构(1-1)、另一侧矩形上层金属结构(1-2)，一侧矩形上层金属结构(1-1)与另一侧矩形上层金属结构(1-2)尺寸相同，在x方向镜像对称；所述单元包括多边形上层金属结构(1-3)、第一PIN二极管(2-1)焊接于一侧矩形上层金属结构(1-1)与多边形上层金属结构(1-3)之间，第二PIN二极管(2-2)焊接于另一侧矩形上层金属结构(1-2)与多边形上层金属结构(1-3)之间；所述单元包括第一层介质(3)、中层金属地板(4)、第二层介质(5)和下层金属背板(6)；所述多边形上层金属结构(1-3)位于第一层介质(3)上表面；所述下层金属背板(6)位于第二层介质(5)下表面；所述中层金属地板(4)位于第一层介质(3)、第二层介质(5)的两层介质中间。
3.根据权利要求2所述的一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，其特征在于：所述第一层介质(3)和第二层介质(5)为聚四氟乙烯、碳氢化合物或陶瓷中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，其特征在于：所述单元具有00/01/10/11的四种工作状态，不同状态下反射相位差为90°，所述四种工作状态由下层金属背板(6)所连接的直流馈线正极对每个单元控制，负极与整个中层金属地板(4)连接，形成直流回路。
5.根据权利要求1所述的一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，其特征在于：所述硬件控制系统，通过FPGA电子设备与直流馈线正负极相连对各个单元进行控制，用于将信道建模、复振幅全息算法计算以及单元幅相配置后产生的数字信号输入到单元中，并控制所述可编程超表面反射阵在目标电磁环境模拟区模拟所需要的任意目标场环境，实现任意目标场的模拟，同时能够随所需目标变化实时切换。
6.根据权利要求1所述的一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，其特征在于：所述目标电磁环境模拟区是真实电磁环境，其幅度、相位及位置任意指定，是经过硬件控制系统和可编程超表面反射阵调整后模拟出的任意目标场，并且模拟的任意目标场是通信天线实际工作所处的电磁环境或电磁测试中所需要的测量环境，或是任意随机生成的电磁场。
7.根据权利要求1所述的一种基于可编程超表面反射阵的场模拟器，其特征在于：所述目标电磁环境模拟区形成的任意目标场能应用于电磁测试中的场模拟仿真，包括通信天线电磁环境模拟以及测量领域中。
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