CN113991306B

CN113991306B - 智能反射面阵列控制装置及方法

Info

Publication number: CN113991306B
Application number: CN202111618675.9A
Authority: CN
Inventors: 章秀银; 杨会平; 曾昕菟; 胡群强; 唐杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN113991306A; WO2023124399A1

Abstract

本发明公开了一种智能反射面阵列控制装置及方法，所述装置包括依次相连的控制电压模块、电压放大模块和变容二极管模块，变容二极管模块嵌入在智能反射面阵列的子单元结构中；控制电压模块，用于产生高精度的低幅值模拟控制电压信号，并输入到电压放大模块；电压放大模块，用于接收控制电压模块输入的低幅值模拟控制电压信号，对低幅值模拟控制电压信号进行放大，并输入到变容二极管模块；所述变容二极管模块，用于接收电压放大模块输入的高幅值模拟电压信号，实现对变容二极管输出电容值的调控。本发明不但能够实现智能反射面阵列每个子单元的单独连续可控，而且不必借助DA芯片，因此，在保证通信信道管理高精度的同时，显著地降低制造成本。

Description

智能反射面阵列控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种智能反射面阵列控制装置及方法，属于新一代移动通信领域。

背景技术

超高、甚高频率（毫米波、太赫兹）通信被认为是第六代移动通信系统潜在的技术形态，高工作频率会使载波信号的反射性增强、衍射性降低，进而影响移动基站的信号覆盖率。一种可行的解决方案是：借助智能反射面辅助通信，即在基站发射机与接收机之间引入智能反射面阵列天线，使得电磁波传输信道变得可以人为动态调控，进而能够很好地改善通信质量。

常用的智能反射面电控制方法有两种：PIN二极管方式和变容二极管方式，具体说明如下：

1）PIN二极管方式。在智能反射面的子单元中设计PIN二极管，通过电信号控制每个单元内PIN二极管的开关情况，进而改变整个智能反射面的结构，实现对电磁波传输信道的人为控制；

2）变容二极管方式。此种方式与PIN二极管方案类似，不同的是：在智能反射面单元结构内置入的为变容二极管，通过控制变容二极管两端的电压值，达到对通信信道调控的目的。

由于一个PIN二极管只有两种状态（导通或者关闭），因此，智能反射面子单元的控制状态与嵌入的PIN二极管数量满足 2^N关系，此处N表示子单元中集成的PIN二极管数量。控制状态越多，电磁波波束赋型的准确度越高，但子单元内需要控制PIN二极管也越多，通常一个智能反射面需要设计成百上千个子单元，因此，PIN二极管电控制方式复杂，且不能做到对通信信道的连续可调。

变容二极管方式由于是利用外部模拟电压控制，因此可以做到连续可调，但是每个子单元的模拟控制电压需要集成一组DAC芯片来实现，对于需要嵌入成百上千个子单元的智能反射面阵列，制造成本高。因此为了简化控制方式和降低制造成本，通常采用复用的方式来设计智能反射面阵列。即智能反射面内某一行或者一列的所有子单元共用一路PIN管数字控制信号或者模拟电压值。此种处理方式虽然可以实现电磁波束的信道管理，但是其调控能力显著降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种智能反射面阵列控制装置及方法，其不但能够实现智能反射面阵列每个子单元的单独连续可控，而且不必借助DA芯片，因此，在保证通信信道管理高精度的同时，显著地降低制造成本。

本发明的第一个目的在于提供一种智能反射面阵列控制装置。

本发明的第二个目的在于提供一种智能反射面阵列控制方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种智能反射面阵列控制装置，包括依次相连的控制电压模块、电压放大模块和变容二极管模块，所述变容二极管模块嵌入在智能反射面阵列的子单元结构中；

所述控制电压模块，用于产生高精度的低幅值模拟控制电压信号，并输入到电压放大模块；

所述电压放大模块，用于接收控制电压模块输入的低幅值模拟控制电压信号，对低幅值模拟控制电压信号进行放大，并输入到变容二极管模块；

所述变容二极管模块，用于接收电压放大模块输入的高幅值模拟电压信号，实现对变容二极管输出电容值的调控。

进一步的，所述控制电压模块包括PWM微控电路以及n路RC滤波积分电路，所述PWM微控电路通过串并转换器分别与n路RC滤波积分电路相连，其中n的值与智能反射面阵列的子单元结构数量一致；

所述PWM微控电路，用于输出形式为不同占空比的串行高低电平脉冲数字信号；

所述RC滤波积分电路，用于将预定时间内不同占空比的脉冲数字信号转化为高精度的模拟电压信号。

进一步的，所述PWM微控电路在可编程芯片内实现。

进一步的，所述RC滤波积分电路由两组电阻和电容器件级联组成。

进一步的，所述电压放大模块包括n路外接电源调理电路以及n路电压放大电路，n路外接电源调理电路与n路电压放大电路一一对应相连，所述外接电源调理电路还与外部直流电压源相连，其中n的值与智能反射面阵列的子单元结构数量一致；

所述外接电源调理电路，用于保证电压放大电路获得稳定的供电电压；

所述电压放大电路，用于对控制电压模块输入的低幅值模拟控制电压信号进行放大，并将放大后的高幅值模拟电压信号输入到变容二极管模块。

进一步的，所述电压放大电路的供电电压大小和高幅值模拟电压信号倍数，由变容二极管模块需要的控制电压决定。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种智能反射面阵列控制方法，所述方法包括：控制电压模块产生高精度的低幅值模拟控制电压信号，并输入到电压放大模块；电压放大模块接收控制电压模块输入的低幅值模拟控制电压信号，对低幅值模拟控制电压信号进行放大，并输入到变容二极管模块；变容二极管模块接收电压放大模块输入的高幅值模拟电压信号，实现对变容二极管输出电容值的调控。

进一步的，所述产生高精度的低幅值模拟控制电压信号，具体为：通过PWM微控电路产生不同占空比高低电平脉冲数字信号，通过RC滤波积分电路将不同占空比脉冲数字信号转化为模拟信号。

进一步的，所述对低幅值模拟控制电压信号进行放大，具体为：通过外接电源调理电路保证稳定的供电电压接入到电压放大电路，通过电压放大电路将低幅值模拟控制电压信号进行放大。

进一步的，所述实现对变容二极管输出电容值的调控，具体为：使变容二极管产生不同的电容值，进而使智能反射面的每个子单元产生不同的谐振频率，实现不同的相位补偿。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明所提供的智能反射面阵列控制装置及方法，由于可以将变容二极管嵌入到智能反射阵列面的子单元结构中，因此可实现对电磁波束辐射相角的连续可调。

2、本发明所提供的智能反射面阵列控制装置及方法，由于在智能反射面阵列的子单元结构避免使用AD/DA芯片等价格较高元器件，而且能够实现对每个子单元进行单独控制，因此可以显著地降低制造成本和明显地提高传输信道控制精度。

3、本发明所提供的智能反射面阵列控制装置及方法，由于控制电压模块采用PWM微控电路实现，因此，可以对电磁波的传输信道进行人为动态编程控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的智能反射面阵列控制装置的结构框图。

图2为本发明实施例1的智能反射面阵列控制装置的结构示意图。

图3为本发明实施例1的智能反射面阵列控制装置中控制电压模块的结构框图。

图4为本发明实施例1的智能反射面阵列控制装置中电压放大模块的结构框图。

图5为本发明实施例2的特定赋型波束相位补偿分布图（垂直偏折30°）。

图6为本发明实施例2的垂直反向偏折30°波束赋型图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种智能反射面阵列控制装置，该装置包括控制电压模块1、电压放大模块2和变容二极管模块3，控制电压模块1、电压放大模块2和变容二极管模块3依次相连，变容二极管模块3嵌入在智能反射面阵列4的子单元结构中，通过控制电压模块1的输出电压值，就能够使变容二极管模块的变容二极管产生不同的电容值，进而使智能反射面的子单元结构产生不同的谐振频率，实现不同的相位补偿，达到对入射电磁波传输信道人为操控的目的；本实施例的智能反射面阵列4的子单元结构数量为8*8=64个，智能反射面阵列4直接对电磁波进行操控，具体方式是阵列面每个子单元的补偿相位不同，那么调控的电磁波具有不同的反射方向和波束赋型形状，其中波束赋型与操控由控制电压模块1联合电压放大模块2协同控制智能反射面阵列4的子单元结构中嵌入的变容二极管实现。

具体地，控制电压模块1用于产生高精度的低幅值模拟控制电压信号，并输入到电压放大模块2；进一步地，如图1~图3所示，控制电压模块1内部包括PWM（Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制）微控电路以及n路RC（Resistor-Capacitance，电阻-电容）滤波积分电路，PWM微控电路在可编程芯片内实现，如FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）、单片机等，本实施例选择FPGA可编程芯片，具体为Xilinx XC7A35T型，其输出为不同占空比的串行高低电平脉冲数字信号，FPGA可编程芯片通过串并转换器分别与n路RC滤波积分电路相连，n的值与智能反射面阵列的子单元结构数量一致，由于本实施例的智能反射面阵列4的子单元结构有64个，则有n=64路RC滤波积分电路，本实施例的串并转换器型号为74HC595；FPGA可编程芯片输出的PWM波（本质为高低电平串行信号），经过串并转换到每路RC积分滤波电路，因为每路包含的高低电平数量不一致，那么RC滤波积分电路之后产生的低控制电压幅值也不相同（为模拟电压），每路RC滤波积分电路由两组电阻和电容器件级联组成，其作用是将预定时间（例如：1ms）内不同占空比的脉冲数字信号转化为高精度的模拟电压信号，例如：一个占空比80%的串行高低电平脉冲数字信号，那么对应产生的低幅值模拟控制电压信号为：3.3*0.8=2.64V。

具体地，电压放大模块2用于接收控制电压模块1输入的低幅值模拟控制电压信号，对低幅值模拟控制电压信号进行放大，并输入到变容二极管模块3；进一步地，如图1~图4所示，电压放大模块2包括n路外接电源调理电路以及n路电压放大电路，n路外接电源调理电路与n路电压放大电路一一对应相连，同样地，n的值与智能反射面阵列的子单元结构数量一致，n=64，外接电源调理电路还与外部直流电压源相连，主要起到稳压作用，保证稳定的供电电压接入到电压放大电路中，电压放大电路的输入信号为控制电压模块产生的高精度低幅值模拟电压信号，电压放大电路将放大后的高幅值模拟电压信号输入到变容二极管模块3，其中电压放大电路的供电电压大小和高幅值模拟电压信号倍数，由变容二极管模块需要的控制电压决定，本实施例的电压放大电路直接选用LM358运算放大器件，其放大倍数1~100倍之间可调，需要供电电压3~30V。

具体地，变容二极管模块3用于接收电压放大模块2输入的高幅值模拟电压信号，实现对变容二极管输出电容值的调控，由于变容二极管模块3嵌入在智能反射面阵列4的子单元结构中，变容二极管模块3中的变容二极管是为智能反射面阵列4传输信道管理的关键，为实现波束赋型，通常不同阵列子单元需要补偿不同相位，即：不同阵列子单元需要不同的谐振频率，因此可以通过控制变容二极管两端电压V_cc，使其电容值动态改变，即可改变反面子单元的谐振频率，进而产生不同的谐振频率实现不同的相位补偿角，达到对入射电磁波的信道管理和波束赋型的目的。

本实施例还提供了一种智能反射面阵列控制方法，该方法基于上述智能反射面阵列控制装置实现，包括以下步骤：

S1、控制电压模块产生高精度的低幅值模拟控制电压信号，并输入到电压放大模块。

其中，产生高精度的低幅值模拟控制电压信号，具体为：通过PWM微控电路产生不同占空比高低电平脉冲数字信号，通过RC滤波积分电路将不同占空比脉冲数字信号转化为模拟信号。

S2、电压放大模块接收控制电压模块输入的低幅值模拟控制电压信号，对低幅值模拟控制电压信号进行放大，并输入到变容二极管模块。

其中，对低幅值模拟控制电压信号进行放大，具体为：通过外接电源调理电路保证稳定的供电电压接入到电压放大电路，通过电压放大电路将低幅值模拟控制电压信号进行放大。

S3、变容二极管模块接收电压放大模块输入的高幅值模拟电压信号，实现对变容二极管输出电容值的调控。

其中，实现对变容二极管输出电容值的调控，具体为：使变容二极管产生不同的电容值，进而使智能反射面的每个子单元产生不同的谐振频率，实现不同的相位补偿。

实施例2：

在某种应用场景中，需要将垂直入射到智能反射面阵列的电磁波传输信道进行反向沿垂直线30°偏折。根据电磁波传输理论，可以计算出每个子单元相位补偿图如图5所示，那么可根据此相位补偿图求解出每个子单元需要的具体电容值，然后根据特定变容二极管电容（本实施例选择为Skyworks SMV1405型）与电压对应关系，求解出每个子单元需要的电压值。

针对智能反射阵列某一特定子单元的电压值，例如26V，控制电压模块的PWM微控电路产生对应占空比的串行数字脉冲高低电平，此处26V对应PWM数字信号的占空比为79%；然后，RC滤波积分转换电路将此PWM数字信号转化为模拟的低电压信号，由于控制电压模块的工作低压为3.3V，所以占空比为79%的数字信号对应的低幅值模拟电压为3.3*0.79≈2.60V。

外部电压源通过电压放大模块中的外接电源调理电路产生稳定的供电电压驱动运放器件LM358工作，将控制电压模块的低幅值模拟电压进行放大。此例中低幅值模拟电压为2.6V，将其放大10倍，即可得到预期的26V电压值，设计实现的智能反射面阵列30°波速赋型如图6所示。

综上所述，本发明通过将智能反射面阵列子单元信道操控的补偿相位转化为变容二极管的电压值。由于变容二极管的电压值连续可控，因此子单元可以进行连续相位补偿，换言之反射面阵列可以进行连续的通信信道控制；同时，由于控制电压本质上是可编程改变的不同占空比PWM数字电平信号，因此反射面阵列的赋型波束动态可编程调制；而且，由于反射面阵列的每个子单元均可控制，因此，反射面阵列可以保证较高精度进行波束赋型；此外，在产生变容二极管控制电压过程中避免使用AD/DA芯片，很好地降低了智能反射面阵列的制造和生产成本。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种智能反射面阵列控制装置，其特征在于，包括依次相连的控制电压模块、电压放大模块和变容二极管模块，所述变容二极管模块嵌入在智能反射面阵列的子单元结构中；

所述变容二极管模块，用于接收电压放大模块输入的高幅值模拟电压信号，实现对变容二极管输出电容值的调控；

所述控制电压模块包括PWM微控电路以及n路RC滤波积分电路，所述PWM微控电路通过串并转换器分别与n路RC滤波积分电路相连，所述PWM微控电路在可编程芯片内实现，所述RC滤波积分电路由两组电阻和电容器件级联组成，其中n的值与智能反射面阵列的子单元结构数量一致；

所述RC滤波积分电路，用于将预定时间内不同占空比的脉冲数字信号转化为高精度的低幅值模拟控制电压信号，并输入到电压放大模块的电压放大电路；

智能反射面阵列直接对电磁波进行操控，具体方式是阵列面每个子单元结构的补偿相位不同，那么调控的电磁波具有不同的反射方向和波束赋型形状，其中波束赋型与操控由控制电压模块联合电压放大模块协同控制智能反射面阵列的子单元结构中嵌入的变容二极管实现；智能反射面阵列的不同子单元结构需要不同的谐振频率，通过控制变容二极管两端电压，使变容二极管的电容值动态改变，从而改变智能反射面阵列的子单元结构的谐振频率，进而产生不同的谐振频率实现不同的相位补偿角，以实现对入射电磁波的信道管理和波束赋型；

所述电压放大模块包括n路外接电源调理电路以及n路电压放大电路，n路外接电源调理电路与n路电压放大电路一一对应相连，所述外接电源调理电路还与外部直流电压源相连，其中n的值与智能反射面阵列的子单元结构数量一致；

所述电压放大电路，用于对控制电压模块输入的低幅值模拟控制电压信号进行放大，并将放大后的高幅值模拟电压信号输入到变容二极管模块；其中，电压放大电路的供电电压大小和高幅值模拟电压信号倍数，由变容二极管模块需要的控制电压决定。

2.一种智能反射面阵列控制方法，基于权利要求1所述智能反射面阵列控制装置实现，其特征在于，所述方法包括：控制电压模块产生高精度的低幅值模拟控制电压信号，并输入到电压放大模块；电压放大模块接收控制电压模块输入的低幅值模拟控制电压信号，对低幅值模拟控制电压信号进行放大，并输入到变容二极管模块；变容二极管模块接收电压放大模块输入的高幅值模拟电压信号，实现对变容二极管输出电容值的调控。

3.根据权利要求2所述的智能反射面阵列控制方法，其特征在于，所述产生高精度的低幅值模拟控制电压信号，具体为：通过PWM微控电路产生不同占空比高低电平脉冲数字信号，通过RC滤波积分电路将不同占空比脉冲数字信号转化为模拟信号。

4.根据权利要求2所述的智能反射面阵列控制方法，其特征在于，所述对低幅值模拟控制电压信号进行放大，具体为：通过外接电源调理电路保证稳定的供电电压接入到电压放大电路，通过电压放大电路将低幅值模拟控制电压信号进行放大。

5.根据权利要求2所述的智能反射面阵列控制方法，其特征在于，所述实现对变容二极管输出电容值的调控，具体为：使变容二极管产生不同的电容值，进而使智能反射面的每个子单元产生不同的谐振频率，实现不同的相位补偿。