CN114172553B - 基于1-bit可编程超表面的安全定向发射系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于1‑bit可编程超表面的安全定向发射系统及方法，属于信号定向发射技术领域，包括1‑bit透射型可编程超表面，其上两面对称分布有M×N个单元天线；可编程超表面还连接有控制器；在距离所述可编程超表面几何中心一定距离处设有发射天线，用于向所述1‑bit透射型可编程超表面发射信号；控制器对单元天线施加周期性调制序列，用于将经过所述1‑bit透射型可编程超表面处理后的信号调制为满足以下要求：调制后的信号在超表面的正前方0°方向上仍保持正确可解调，而在其他大部分方向上产生不同程度的频谱混叠而失真。本发明复杂度低、成本低、结构简单、易部署，在未来无线保密通信、通信对抗领域有潜在的应用前景。

Description

基于1-bit可编程超表面的安全定向发射系统及方法
技术领域
本发明属于信号定向发射技术领域，涉及一种基于1-bit可编程超表面的安全定向发射系统及方法。
背景技术
在传统的无线保密通信系统中，理论上位于发射机不同方向的接收机收到的信号携带信息是相同的，虽然旁瓣方向的信号功率电平非常低，但应用高灵敏度的接收机仍然具有在旁瓣方向上恢复出电磁波携带信息的可能。尽管理论上可以通过抑制旁瓣电平来降低窃听者窃取信号信噪比，但在实际应用中实现起来有较大难度。保密通信也可以通过零陷对准窃听者来实现，但是传统天线阵列很难实现零陷在任意不期望方向的扫描。
2009年之后，有学者提出了射频前端方向调制技术，利用这种技术，天线阵列(或天线)可以在期望的方向发射正确可解调的信号，而在不期望方向上发射的是失真的信号。现有的方向调制技术大多都是在相控阵、频控阵、可重构阵列等硬件的基础上进行的，在许多情况下还需引入射频链来添加人工噪声，面临成本、硬件复杂度较高的问题，在工程落地层面存在困难。
可编程超表面是一种新型的人工电磁材料，其拥有的若干个人工单元可以对入射的电磁波施加相位改变。1-bit可编程超表面是结构最简单、成本最低的可编程超表面，其单元能够对入射的电磁波施加0或π的相移。1-bit可编程超表面作为无源元件，量产成本低廉，工作频段较宽，易于部署，对多天线系统的低成本和小型化方面都有潜在的应用前景。因此基于1-bit可编程超表面实现安全定向发射，对于未来保密通信、通信对抗等场景都是由应用价值的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于1-bit可编程超表面的安全定向发射系统及方法。
为达到上述目的，一方面，本发明提供如下技术方案：
一种基于1-bit可编程超表面的安全定向发射系统，包括1-bit透射型可编程超表面，其上两面对称分布有M×N个单元天线，其中M为单元天线的行数，N为单元天线的列数；所述可编程超表面还连接有控制器；在距离所述可编程超表面几何中心一定距离处设有发射天线，用于向所述1-bit透射型可编程超表面发射信号；所述控制器对单元天线施加周期性调制序列，用于将经过所述1-bit透射型可编程超表面处理后的信号调制为满足以下要求：调制后的信号在超表面的正前方0°方向上仍保持正确可解调，而在其他方向上产生不同程度的频谱混叠而失真。
进一步，所述各单元天线的间距为半波长。
另一方面，本发明提供一种基于1-bit可编程超表面的安全定向发射方法，包括以下步骤：
S1：发射天线向1-bit透射型可编程超表面几何中心发射信号；
S2：通过1-bit透射型可编程超表面上的各单元天线接收入射信号；
S3：对各单元天线施加周期性调制序列，令各单元天线接收信号后施加上相移，使各单元出射的信号在0°方向的相位接近，从而叠加增强能量，形成指向0°的波束射出，同时因周期性调制产生的信号谐波分量分布在0°以外的方向，使这些方向的信号产生频谱混叠而失真。
进一步，1-bit透射型可编程超表面的单元天线间距D为半波长，发射天线位于超表面几何中心正前方，距离为F；1-bit可编程超表面上设有M×N个单元天线，其中M为单元天线的行数，N为单元天线的列；在笛卡尔坐标系中，第(m,n)单元天线的坐标为
[(m-(M+1)/2)D,(n-(N+1)/2)D,0]
其中，m表示该单元天线所在行数，n表示该单元天线所在列数，射天线坐标为[0,0,-F]，则第(m,n)单元与天线的距离为
进一步，所述周期性调制序列包括：
引入第(m,n)单元的周期性切换函数Um,n(t)，其值域为{1,-1}，代表0和π两种相移；在一个时间调制周期Tp内，所述周期性切换函数Um,n(t)表示为
进一步，对于调制后发射向方向的信号，θ为俯仰角，/>为方位角，θ∈[0,-π/2)，/>各单元天线的方向图为/>，lm,n导致的路径损耗为a(lm,n)，引入周期性调制序列后，超表面和发射天线组成的发射系统的瞬时方向图函数为：
其中，表示信号从各单元天线接收发射天线方向信号的增益，dm,n表示各单元天线发射信号在/>方向的波程差，j表示虚数符号，λ表示入射信号的波长。
进一步，Um,n(t)满足Um,n(t)＝Um,n(t+nTp)，τm,n,on和τm,n,off分别表示第(m,n)单元归一化的相移π的开启时间和关闭时间；作为周期性函数，Um,n(t)以傅里叶级数的形式展开为：
其中，αm,n,k是第k次谐波的傅里叶系数，通过下式计算：
进一步，将时域方向图推导到频域，得出基波和各次谐波的方向图函数为：
其中k为谐波的次数，通过设计调制时序，调整各分量在各方向上的能量分布。
本发明的有益效果在于：本发明将1-bit可编程超表面发射信号与时间调制技术结合，仅使用一条射频链，实现了指定方向的安全定向调制，在空间中，指定方向上信号能量最强，且不失真，而在指定方向之外由于产生谐波混叠而失真难以解调。本发明所提出的方法具有低复杂度、低成本、结构简单易部署等优点，在未来无线保密通信、通信对抗领域有潜在的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述基于1-bit可编程超表面的安全定向发射系统结构示意图；
图2为本发明所述可编程超表面与发射天线位置示意图；
图3为本实施例所述1-bit可编程超表面列分块编号图；
图4为实施例所述1-bit可编程超表面第5到16列的单元相移分布图；
图5为本实施例系统在最大增益方向上各分量归一化2D方向图；
图6(a)为原始信号频谱图，(b)为0°方向信号频谱图，(c)为20°方向信号频谱图，(d)为70°方向信号频谱图，(e)为滤波后的70°方向信号频谱图；
图7(a)为原始信号时域波形图，(b)为0°方向信号时域波形图，(c)为滤波后的20°方向信号时域波形图，(d)为滤波后的70°方向信号时域波形图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于1-bit可编程超表面时间调制的低复杂度、低成本的安全定向发射系统。
本发明采用的技术方案是：
将1-bit透射型可编程超表面部署在发射天线前方，控制器向可编程超表面施加特定的周期性调制序列，天线发射出的信号被超表面调制后，在超表面的正前方(0°方向)上仍然保持正确，而在其他方向上信号产生不同程度的频谱混叠，系统结构如图1所示。
1-bitM×N透射型可编程超表面的单元间距为D＝λ/2，即半波长，发射天线位于超表面中心正前方，距离为F。如图2所示，在笛卡尔坐标系中，第(m,n)单元的坐标为[(m-(M+1)/2)D,(n-(N+1)/2)D,0]，发射天线坐标为[0,0,-F]，则第(m,n)单元与天线的距离为
天线发射的信号被各单元接收，被1比特单元施加上相移后出射。假设各单元的方向图为由于lm,n导致的路径损耗为a(lm,n)，则可以求出该超表面和发射天线组成的发射系统的瞬时方向图函数
其中，wm,n是(m,n)th单元上相移的权值，有0和1两种取值，分别对应0和π两种相移。
对于调制后发射向方向的信号，θ为俯仰角，/>为方位角，/>
通过FPGA或DSP设备对各单元施加周期性调制序列，在此引入第(m,n)单元的周期性切换函数Um,n(t)，其值域为{1,-1}，代表0和π两种相移，则公式(2)引入时间维度后，可以得到新的方向图函数
在一个时间调制周期Tp内，函数Um,n(t)可以表示为
Um,n(t)满足Um,n(t)＝Um,n(t+nTp)，τm,n,on和τm,n,off分别表示第(m,n)单元归一化的相移π的开启时间和关闭时间。作为周期性函数，Um,n(t)可以以傅里叶级数的形式展开为
αm,n,k是第k次谐波的傅里叶系数，可以通过下式计算：
此时可以将时域方向图推导到频域，得出基波和各次谐波(次数为k)的方向图函数为
通过设计调制时序，即可调整各分量在各方向上的能量分布。在谐波能量较强的方向，当时间调制频率TP小于发射信号的带宽时，信号会在这些方向上产生频谱混叠而失真，通过常规的带通滤波器难以将信号完整解调出来。
实施例1：
本实施例提供了，在使用2.4GHz频段的1比特可编程反射型超表面时，本发明提供的基于1-bit可编程超表面时间调制的安全定向发射系统的使用方法和效果。
发射系统结构如图1到图2所示，发射信号为频点是2.4GHz的AM信号，1比特20×20透射型可编程超表面的单元间距D等于该频点下的半波长λ/2，发射天线位于超表面中心正后方，距离为5λ。将可编程超表面的人工单元按照行列序号(m,n)编号
如图3所示，在施加调制序列时，将超表面的单元按列划分，对于第1、2、19、20列的单元，其周期性切换函数可以表示为
对于第3、4、17、18列的单元，其周期性切换函数可以表示为
对于第5到16列的单元，其周期性切换函数为常数1或-1，对应图4上的相移分布，目的是在(0°,0°)方向使各单元信号相位接近从而叠加增强能量，形成指向(0°,0°)的波束。由此根据公式(8)可以画出这种调制时序下，基于1-bit编码超表面的发射系统在最大增益方向上各分量归一化2D方向图如图5所示。图5可以看出，此时系统基波分量主瓣指向可编程超表面的(0°,0°)，该方向上谐波能量很低，而其他方向上谐波能量都比较高，从而当调制频率小于信号带宽时，这些方向上的信号都会因频谱混叠而失真，而(0°,0°)方向不受影响。
下面基于双边带AM信号进行仿真验证。原始双边带AM信号可以表示为
其中载波频点Fc＝2.4Ghz，AM调制频率Fm＝25MHz，由于该信号为双边带(DSB)形式，因此信号的实际物理带宽B＝50M。原始的双边带的AM信号在频域有三个分量，包括载波Fc和两个边带(Fc-Fm和Fc+Fm)。
AM信号首先由喇叭天线发射，被1-bit透射型编码超表面各单元接收后，受单元的周期性相位切换作用，再从超表面的另一端发射出去。当超表面各单元施加的是上节所述调制时序时，根据公式(4)，最终出射到各方向的辐射信号可以表示为
首先采用MATLAB对不同方向发射的信号频谱进行绘制，时间调制频率设置为Fp＝0.4B＝20MHz，分别绘制了原始信号、(0°,0°)方向、(20°,0°)方向、(70°,0°)方向的信号频谱，如图6所示。
由原始信号和几个方向的发射信号频谱对比可以看出，在0度方向上的信号几乎未受到频谱混叠影响，而20度和70度的发射信号受到时间调制影响而产生了频谱混叠，此时通过一个带宽为B的带通滤波器是无法将信号完整解调出来的，图6最后给出了一个通过带宽为B的带通滤波器对70度的发射信号进行滤波后的频谱结果。
为了更直观地观察频谱混叠后发射信号的特性，本小节还对前面讨论的0度、20度和70度方向的信号时域波形进行了仿真，使用频带为[Fc-B/2,Fc+B/2]的带通滤波器进行滤波后，绘制出的时域波形如图6所示。
从时域上看，0度方向的信号受混叠影响非常小，而20度和70度方向即使采用带通滤波器进行滤波，波形也失真非常严重，因为总有一部分谐波成分无法通过滤波器滤除。

Claims (4)

1.一种基于1-bit可编程超表面的安全定向发射方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：发射天线向1-bit透射型可编程超表面几何中心发射信号；
S2：通过1-bit透射型可编程超表面上的各单元天线接收入射信号；
S3：对各单元天线施加调制频率小于信号物理带宽的周期性调制序列，令各单元天线对入射信号施加上相移使其出射，使各单元出射的信号在超表面的正前方0°方向的相位接近，从而叠加增强能量，形成指向(0°,0°)的波束射出，同时因周期性调制产生的信号谐波分量分布在0°以外的方向，使这些方向的信号产生频谱混叠；
1-bit透射型可编程超表面的单元天线间距D为半波长，发射天线位于超表面几何中心正前方，距离为F；1-bit可编程超表面上设有M×N个单元天线，其中M为单元天线的行数，N为单元天线的列；在笛卡尔坐标系中，第(m,n)单元天线的坐标为
[(m-(M+1)/2)D,(n-(N+1)/2)D,0]
其中，m表示该单元天线所在行数，n表示该单元天线所在列数，发射天线坐标为[0,0,-F]，则第(m,n)单元与天线的距离为
所述周期性调制序列包括：
引入第(m,n)单元的周期性切换函数Um,n(t)，其值域为{1,-1}，代表0和π两种相移；在一个时间调制周期Tp内，所述周期性切换函数Um,n(t)表示为
2.根据权利要求1所述的基于1-bit可编程超表面的安全定向发射方法，其特征在于：对于调制后发射向方向的信号，θ为俯仰角，/>为方位角，θ∈[0,-π/2)，/>各单元天线的方向图为/>lm,n导致的路径损耗为a(lm,n)，引入周期性调制序列后，超表面和发射天线组成的发射系统的瞬时方向图函数为：
其中，表示信号从各单元接收来自发射天线方向信号的增益，dm,n表示各单元天线出射到/>方向的信号波程差，j表示虚数符号，λ表示发射信号的波长。
3.根据权利要求2所述的基于1-bit可编程超表面的安全定向发射方法，其特征在于：Um,n(t)满足Um,n(t)＝Um,n(t+nTp)，τm,n,on和τm,n,off分别表示第(m,n)单元归一化的相移π的开启时间和关闭时间；作为周期性函数，Um,n(t)以傅里叶级数的形式展开为：
其中，αm,n,k是第k次谐波的傅里叶系数，通过下式计算：
4.根据权利要求3所述的基于1-bit可编程超表面的安全定向发射方法，其特征在于：将时域方向图推导到频域，得出基波和各次谐波的方向图函数为：
其中k为谐波的次数，通过设计调制时序，调整各分量在各方向上的能量分布。
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