CN114188726B - 一种有源智能反射表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有源智能反射表面，包括基站通信阵列、用户通信阵列、双向放大模块、控制模块和太阳能供电模块，所述基站通信阵列和用户通信阵列均为双极化平面天线阵列，且基站通信阵列和用户通信阵列通过双向放大模块连接，所述控制模块控制基站通信阵列和用户通信阵列中移相器的移相量实现波束扫描，以及控制双向放大模块中的单刀双掷开关实现时分双工，所述太阳能供电模块用于向整个有源智能反射表面提供直流电源。本发明提供了一种双极化双工且能实现有源放大功能的二维扫描反射表面，可用于实现移动通信中通信盲区的补盲，同时本发明功耗较低，完全采用太阳能进行供电，无需插电。

Description

一种有源智能反射表面
技术领域
本发明涉无线及通信技术领域，具体涉及一种有源智能反射表面。
背景技术
通信盲区的存在一直是一个备受关注的问题。室内环境因其复杂的布局，较多的物理障碍，使得发射机与接收机之间的视距传播路径被破坏，特别是5G技术商用后，毫米波受障碍物的影响较大，极易出现通信盲区，严重影响了用户的通信体验。反射表面是一种可以将入射波反射的电磁装置，广泛应用于反射面天线。若将反射表面放置在发射机与接收机之间，使发射机发射的电磁波入射到反射表面后再进行反射由接收机接收，便可以通过反射通信解决通信盲区问题。而传统的反射表面不具备任何可控性，反射波的反射角完全由反射表面的固有结构决定，只适用于不随时间变化的特殊场合，对解决移动通信中的通信盲区问题帮助甚微。可重构智能反射表面则是一种可以实现反射波波束可控的电磁装置，通过控制每个单元上的开关改变单元结构进而改变单元的移相量，可以实现反射波的波束扫描，使反射波始终指向移动通信设备，实现移动通信的反射通信。有源智能反射表面则是在对反射波波束可控的基础上加入有源放大器件，将入射至智能反射表面的信号放大后再进行反射，从而进一步提升通信质量，为用户带来更好的通信体验。同时，有源智能反射表面使用移相器对反射表面上的单元进行相位控制，因此相位量化误差相比使用开关的可重构智能反射表面更小，口径效率是可重构智能反射表面的几倍，与放大器结合使用可以在相同的阵面尺寸下实现增益的显著提升。此外，有源智能反射表面功耗较低，使用太阳能就能满足有源智能反射表面的正常工作需要，是一种绿色节能的通信装置。
2012年Kishor等人公开了一种可以实现异极化反射的有源放大可重构反射阵天线(K.K.Kishor and S.V.Hum,"An Amplifying Reconfigurable ReflectarrayAntenna,"in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.60,no.1,pp.197-205,Jan.2012)，该反射阵天线的主要结构是有源智能反射表面，其在双极化微带天线阵的基础上，在天线阵的两个极化端口之间接入了放大器以及反射式模拟移相器，可以实现入射波由微带天线的一个极化端口接收，经放大及移相后从另一个极化端口反射。然而采用此方案设计的有源智能反射表面无法满足移动通信中双工、双极化、同极化收发等需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种能实现双工、双极化、同极化收发及有源放大的有源智能反射表面。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种有源智能反射表面，包括基站通信阵列、用户通信阵列、双向放大模块、控制模块和太阳能供电模块，基站通信阵列和用户通信阵列位于同一平面，且均为双极化平面阵；基站通信阵列负责将基站入射到反射表面的自由空间波转换为导行波，经双向放大模块放大后传输到用户通信阵列，用户通信阵列再将放大后的导行波转换为自由空间波向用户发射，从而实现下行链路信号的反射通信；反之，用户通信阵列将用户入射到反射表面的自由空间波转换为导行波后由双向放大模块放大，再由基站通信阵列发射到基站即可实现上行链路信号的反射通信；下行链路信号和上行链路信号的反射通信通过控制模块控制双向放大模块中的单刀双掷开关实现时分双工。
所述基站通信阵列和用户通信阵列是基于相控阵天线的基础设计的，因此每个天线单元均配有实现相位控制的移相器，通过控制模块对移相器的移相量控制就可以实现波束扫描，这样利用控制模块的内部算法就可以实现反射表面自行对基站信号的选择以及对移动通信用户的跟踪。
所述基站通信阵列和用户通信阵列之间通过双向放大模块的连接是在子阵的基础上实现的，基站通信阵列和用户通信阵列均分别拥有n个子阵，每个子阵拥有i行*j列个单元，两个极化端口；子阵的阵列馈电网络为典型的串馈，具体为先将子阵中同列同极化串联再与子阵中其它列进行串联，采用串馈可以实现较为紧凑的馈电网络，而且比并馈更容易实现。
所述双向放大模块由两个反向放置的低噪声放大器(LNA)和两个单刀双掷开关(SPDT)构成，一个LNA连接一个SPDT，通过切换SPDT的动端位置就可以控制双向放大模块的信号流向，进而可以利用时间分隔多工技术实现时分双工。双向放大模块连接在基站通信阵列和用户通信阵列的子阵之间，且子阵的每个极化端口均需连接一个双向放大模块。
所述太阳能供电模块由太阳能电池板、充电管理模块、锂电池组以及电源管理模块构成，太阳能电池板将太阳能转换为电能，电能经过处理后可以直接为反射表面进行供电，也可以储存到锂电池组后再为反射表面进行供电，通过电源管理模块的合理分配可以在任何光照强度下为反射表面的工作提供供电保障，充电管理模块可以为锂电池组提供过压、过流、过温、短路保护。
本发明具有如下效果：
(1)本发明有源智能反射表面是基于相控阵天线的原理设计的，由于使用移相器作为相位控制器件，相比于利用PIN管实现相位控制的可重构智能反射表面相位量化误差低，拥有几倍于可重构智能反射表面的口径效率，高口径效率意味着在相同阵面大小的情况下可以实现更高的增益，或者是在实现相同增益的情况下可以减小阵面尺寸。
(2)本发明的基站通信阵列和用户通信阵列通过双向放大模块连接，可以进一步提升反射表面的增益。传统的不含有源放大器件的可重构智能反射表面由于增益较低，当存在视距传播路径时反射表面几乎无法起到改善通信的作用，而本发明提出的具备有源放大功能的智能反射表面由于增益较高，可以在存在视距传播路径时仍然具备改善通信的功能。
(3)本发明由于采用的是双阵列设计，因此可以不用像单阵列那样收发端用的是双极化天线的两个不同的极化，而是利用两个不同阵列的相同极化进行收发，这样就可以实现同极化收发，采用双极化阵列就可以实现双极化同极化收发。
(4)本发明虽然需要使用有源器件来实现信号放大的功能，但是每个子阵仅需要2个双向放大模块，因此整个反射表面所需有源器件数量不多，属于低功耗。而本发明采用的太阳能供电模块完全可以满足整个反射表面的功耗，使得反射表面无需接入外部电源。
附图说明
图1为障碍物导致通信盲区示意图。
图2为反射通信消除通信盲区示意图。
图3为本发明实施例所述基站通信阵列和用户通信阵列的阵面划分示意图。
图4为本发明的结构框架示意图。
图5为本发明实施例所述基站通信阵列的子阵划分示意图。
图6为本发明实施例所述用户通信阵列的子阵划分示意图。
图7为本发明实施例所述双向放大模块的电路图。
图8为本发明实施例所述子阵Bk同子阵Uk通过双向放大模块连接的电路图。
图9为本发明实施例所述太阳能供电模块的结构框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地描述。
实施例
本发明是为了解决移动通信中的通信盲区而提出的一种有源智能反射表面设计架构。如图1所示，由于基站和用户之间存在障碍物，导致用户处于基站视距通信的通信盲区，图2在基站和用户之间放置反射表面，使得基站和用户之间存在反射通信，从而消除了通信盲区。
图3为本发明实施例的阵面布局示意图，本实施例将反射表面划分为两个等大的阵列，即Bs Array(基站通信阵列)和User Array(用户通信阵列)，阵列采用矩形布阵。从设计结构上来讲，整个反射表面呈平面，可以很好的贴合在墙上，减少空间占用。
图4为本发明实施例的结构框架示意图，如图所示，本发明包括基站通信阵列、用户通信阵列、双向放大模块、控制模块以及太阳能供电模块。基站通信阵列和用户通信阵列之间通过双向放大模块进行互连，控制模块用于实现波束控制以及上行链路和下行链路的开关控制，太阳能供电模块用于向整个反射表面供电。在整个消除通信盲区的反射通信系统中，基站通信阵列负责与基站进行通信，用户通信系统负责与用户进行通信。对于下行链路，基站天线辐射电磁波到反射表面，此时基站通信阵列接收到入射到反射表面的下行链路信号，同时双向放大模块方向为从基站通信阵列到用户通信阵列，双向放大模块将经辐射天线转换为导行波的下行链路信号进行放大后传输至用户通信阵列，之后用户通信阵列将经双向放大模块放大后的信号向用户发射。反之，对于上行链路，则是用户通信阵列接收用户发射的电磁波经双向放大模块放大后由基站通信阵列向基站发射。虽然基站通信阵列和用户通信阵列位于同一阵面，但是两个阵列均为相控阵列，具备高方向性，有很好的抗干扰能力。
本实施例所述的基站通信阵列和用户通信阵列均由数个子阵构成，且通过双向放大模块的互连是基于子阵实现的。如图5所示，子阵B1～子阵Bn共同构成基站通信阵列，图6所示子阵U1～子阵Un共同构成用户通信阵列。可以看到，每个子阵包含有两个极化端口(H极化和V极化)，每个极化端口用一个双向放大模块连接。图7为双向放大模块的电路结构图，双向放大模块由两个SPDT(单刀双掷开关)和两个LNA构成，两个LNA放置方向相反，分别为下行LNA和上行LNA，通过控制SPDT选择两个LNA就可以实现下行链路信号或上行链路信号的放大。同时，对SPDT进行时序控制，使得下行链路和上行链路位于不同的时隙就可以实现时分双工。
图8为子阵Bk同子阵Uk互连的电路图，由图8可以看到每个子阵由i行*j列个天线单元构成，采用矩形排列。天线单元为双极化天线，两个极化端口分别连接了一个移相器，用来控制单元相位实现波束扫描。子阵中各单元相同极化端口通过串馈方式进行连接，形成了子阵的H极化k和V极化k两个极化端口，具体的串联形式为子阵中同一列的同极化先进行串联，而后再与其它各列的同极化进行串联。
图9为太阳能供电模块的结构框图，太阳能供电模块包括太阳能电池板，充电管理模块，锂电池组以及电源管理模块。首先，太阳能电池板将光能转换为电能后通过充电管理模块为锂电池组进行充电或者直接进入电源管理模块为双向放大模块和控制模块供电。充电管理模块可以为锂电池组提供过压、过流、过温、短路等保护，保障了锂电池组的使用寿命以及充电安全。当光照较强时反射表面无法完全利用太阳能电池板转换的电能，这时如果锂电池组还有电容量就可以储存富余的电能，等到光照较弱时使用。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种有源智能反射表面，其特征在于：包括基站通信阵列、用户通信阵列、双向放大模块、控制模块和太阳能供电模块，所述基站通信阵列和用户通信阵列均为双极化平面天线阵列，且基站通信阵列和用户通信阵列位于同一平面，所述基站通信阵列和用户通信阵列的同极化端口通过双向放大模块连接，所述控制模块控制基站通信阵列和用户通信阵列中移相器的移相量实现波束扫描，以及控制双向放大模块中的单刀双掷开关实现时分双工，所述太阳能供电模块用于向整个有源智能反射表面提供直流电源。
2.根据权利要求1所述的有源智能反射表面，其特征在于：所述基站通信阵列和用户通信阵列分别被划分为若干个子阵，两个阵列的子阵数量相同。
3.根据权利要求2所述的有源智能反射表面，其特征在于：所述子阵包含若干个双极化天线单元，每个天线单元的两个极化端口均连接有移相器，子阵中各单元相同极化采用串馈方式进行连接，最终形成两个极化端口，基站通信阵列子阵和用户通信阵列子阵的每个极化端口通过双向放大模块连接。
4.根据权利要求1所述的有源智能反射表面，其特征在于：所述双向放大模块由两个低噪声放大器（LNA）和两个单刀双掷开关（SPDT）构成，两个LNA反向放置，分别为上行和下行LNA，上行LNA和下行LNA分别连接一个SPDT，通过切换SPDT的动端位置控制双向放大模块的信号流向，进而利用时间分隔多工技术实现时分双工。
5.根据权利要求1所述的有源智能反射表面，其特征在于：所述太阳能供电模块包括太阳能电池板、锂电池组、充电管理模块和电源管理模块，其中充电管理模块与太阳能电池板、锂电池组和电源管理模块连接，电源管理模块与锂电池组以及双向放大模块和控制模块连接，电源管理模块用于为双向放大模块和控制模块供电以及对充电管理模块和锂电池组进行控制。
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