CN116169480A - 基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，包括面向基站的超表面天线、面向用户的超表面天线、放大器模块、控制模块以及信道信息处理模块，所述面向基站的超表面天线用于接收来自基站的信号以及向基站转发信号，所述面向用户的超表面天线具有方向图可重构功能，用于向用户转发信号以及接收来自用户的信号，两个超表面天线通过所述放大器模块进行连接，所述控制模块用来控制面向用户的超表面天线的辐射方向图使其指向用户，所述信道信息处理模块用来接收信道估计信息并发送给控制模块。本发明可用于无线通信中通信盲区的补盲，并且本发明对于单个极化状态只需要一个放大器模块，成本低、体积小、适用范围广。

Description

基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面
技术领域
本发明涉无线及通信技术领域，具体涉及一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面。
背景技术
可重构智能反射表面(reconfigurable intelligent surface，RIS)能够以可编程的方式改变入射电磁波的相位，且不会牺牲系统的传输速率和发射功率，通过控制反射接收信号的方向，使反射波始终指向移动通信设备，建立新的无线信道，从而解决通信盲区问题，提高系统频谱和能量效率，增大信道容量，提升通信速率。同时，可重构智能反射表面成本低、重量轻，方便大规模部署，有利于实现通信系统整体性能的提升，因而成为未来5G、6G无线通信系统的潜在关键技术之一。
RIS按照是否带有功率放大功能又分为无源RIS和有源RIS。纯无源的RIS存在以下几个问题：首先，信号经过级联信道，反射链路相比于直接链路来讲，其路径损耗是按乘积的方式叠加，导致其存在双衰落问题，只在一些特殊的情形下才表现出明显的信道增强效果；此外，纯无源RIS在面积受限的情况下端到端的信道波束成形增益也比较有限。而有源RIS可以改变入射信号的相位，也会放大其幅度，较小面积的有源RIS就可以实现较大的增益，可以克服双衰落的限制。因此，有源RIS的应用范围更广，对信道容量的提升更明显。
然而，目前的有源RIS架构大多需要为每个超表面单元或子阵配置反射式功率放大器。反射式功率放大器本身有一定的设计难度，增益也有一定的限制，加上需要较多的数量，导致整体RIS的成本大幅提升，并且需要占用更多的空间，失去了RIS本身在成本、体积和重量方面的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，该有源可重构智能表面对单个极化状态只需要一个放大器模块便可实现双向的信号放大功能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，包括面向基站的超表面天线、面向用户的超表面天线、放大器模块、控制模块以及信道信息处理模块；所述面向基站的超表面天线主瓣方向指向基站用于在下行链路中接收来自基站的信号以及在上行链路中向基站转发信号，所述面向用户的超表面天线具有方向图可重构功能，用于在下行链路中向用户转发信号以及在上行链路中接收来自用户的信号，面向基站的超表面天线输入端口和面向用户的超表面天线输入端口通过一个放大器模块进行连接，所述控制模块用来控制面向用户的超表面天线中的可调元件实现天线辐射方向图的变换，同时还用来控制放大器的开关和功率增益，所述信道信息处理模块用来接收信道估计信息，并将处理后的信息发送给控制模块。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明提出的一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面架构，通过控制面向用户的超表面天线中的可调元件的状态以及放大器模块的开关和增益，可以实现对入射信号传输方向和放大幅度的实时调控；将其用于无线通信系统中可以有效提升通信容量，增加信号强度，解决盲区问题；(2)所述有源可重构智能表面架构，对于单个极化状态只需要一个放大器模块，成本低、体积小，并且所述面向基站的超表面天线和面向用户的超表面天线之间的夹角可以任意设置，可以实现对入射信号360°全方向的波束调控，适用范围更广。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例提供的有源可重构智能表面整体组成结构及其工作原理示意图；
图2为本发明实施例提供的面向基站的超表面天线整体结构的三维示意图；
图3为本发明实施例提供的面向基站的超表面天线超表面底层阵列天线部分的顶视图；
图4为本发明实施例提供的面向基站的超表面天线超表面单元结构的三维示意图；
图5为本发明实施例提供的面向基站的超表面天线超表面单元结构的细节尺寸图；
图6为本发明实施例提供的面向用户的超表面天线整体结构的三维示意图；
图7为本发明实施例提供的面向用户的超表面天线可重构超表面单元结构的三维示意图；
图8为本发明实施例提供的面向用户的超表面天线可重构超表面单元结构的细节尺寸图；
图9为本发明实施例提供的有源可重构智能表面在特定场景中的安装示例及其工作原理示意图；
图10为本发明实施例提供的面向基站的超表面天线的方向图增益仿真结果图；
图11为本发明实施例提供的面向用户的超表面天线可重构超表面单元在两种状态下的透射幅度仿真仿真结果图；
图12为本发明实施例提供的面向用户的超表面天线可重构超表面单元在两种状态下的透射相位仿真仿真结果图；
图13为本发明实施例提供的面向用户的超表面天线的在采用编码“001100110011”时的方向图增益仿真结果图。
具体实施方式
本发明提供一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，包括：面向基站的超表面天线、面向用户的超表面天线、放大器模块、控制模块以及信道信息处理模块；所述面向基站的超表面天线主瓣方向指向基站用于在下行链路中接收来自基站的信号以及在上行链路中向基站转发信号，所述面向用户的超表面天线具有方向图可重构功能，用于在下行链路中向用户转发信号以及在上行链路中接收来自用户的信号，面向基站的超表面天线输入端口和面向用户的超表面天线输入端口通过一个放大器模块进行连接，所述控制模块用来控制面向用户的超表面天线中的可调元件实现天线辐射方向图的变换，同时还用来控制放大器的开关和功率增益，所述信道信息处理模块用来接收信道估计信息，并将处理后的信息发送给控制模块。
优选的，所述面向用户的超表面天线由贴片天线阵列和可重构超表面移相单元组成，通过控制超表面移相单元上PIN管的通断，可以实现对超表面移相单元相移量的调控，最终实现对面向用户的超表面天线辐射方向图的调控。
优选的，所述面向基站的超表面天线和面向用户的超表面天线之间有一定的间隔，通过拉开距离和添加吸波材料的方式保持较高的间隔度，避免放大器增益过大时引起自激。
优选的，所述面向用户的超表面天线和面向基站的超表面天线可以以任意夹角进行放置，从而可以实现360°全方位的波束方向偏折。
优选的，所述放大器模块为半双工双向放大器，由两个低噪声放大器和两个单刀双掷开关构成，两个低噪声放大器反向放置，分别用来放大上行和下行信号，两个单刀双掷开关配合使用，用来分时切换上行和下行放大通路，实现时分双工放大。
优选的，所述控制模块由可编程逻辑器件为核心部件构成，具备信号处理能力，可以是通用处理器、单片机、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件；所述控制模块会根据信道估计的结果结合一定的预编码策略对面向用户的超表面天线的辐射方向图和放大器的开关及其功率增益进行控制从而以尽量低的功耗实现信道最佳信噪比。
优选的，所述信道信息处理模块接收来自基站、用户或者其他感知设备的信道估计信息，并对信息进行处理转化为数字信息后发送给控制模块。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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作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
参照图1至图13，图1是本发明实施例提供的一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面及其工作原理示意图，本实施例的基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面包括：面向基站的超表面天线1、面向用户的超表面天线2、放大器模块3、控制模块4和信道信息处理模块5。
面向基站的超表面天线1：如图2所示，主要由四部分组成：第一底层阵列天线101、顶层无源超表面102、第一支撑用尼龙柱103以及与输入端口相连的传输线，第一底层阵列天线101与顶层无源超表面102之间有一定的空气间隙，空气间隙的厚度通过固定用的四个第一支撑用尼龙柱103进行控制。在本实施例中，该空气间隙的厚度为6mm；
第一底层阵列天线101如图3所示，包括底层天线金属地层10101、第一介质基板层10102、贴片与功分网络金属层10103以及同轴背馈部分10104；介质基板采用RogersRO4003C高频板，厚度为0.508mm，相对介电常数3.55，损耗正切角为0.0027；该阵列天线由8×6个天线单元组成，工作频段为23.9GHz到24.7GHz；
顶层无源超表面102由11×13个无源超表面单元组成。图4所示为单个无源超表面单元结构，单个无源超表面单元的组成自下而上包括第一方形金属贴片层10201、第二介质基板层10202、第一粘合层10203、第一闵可夫斯基分形金属贴片层10204、第三介质基板层10205、第二粘合层10206、第一金属缝隙层10207、第四介质基板层10208、第一金属延迟线层10209、第三粘合层10210、第五介质基板层10211、第一金属地层10212、第六介质基板层10213、第四粘合层10214、第二金属延迟线层10215、第七介质基板层10216、第二金属缝隙层10217、第五粘合层10218、第八介质基板层10219、第二闵可夫斯基金属贴片层10220、第六粘合层10221、第九介质基板层10222、第二方形金属贴片层10223以及连接两层金属延迟线用的金属化通孔10224；介质基板采用Rogers RO3003C高频板，厚度为0.254mm，相对介电常数3，损耗正切角为0.0015；粘合层采用Rogers RO4450F，厚度为0.1mm，相对介电常数3.5，损耗正切角为0.004；其中所述第一方形金属贴片层10201和第二方形金属贴片层10223的结构是完全一样的，第一闵可夫斯基分形金属贴片层10204和第二闵可夫斯基金属贴片层10220的结构是完全一样的，第一金属缝隙层10207和第二金属缝隙层10217的结构是完全一样的，第一金属延迟线层10209和第二金属延迟线层10215的结构是完全一样的；
具体参见图5，无源超表面单元结构二维示意图。(a)单元结构的侧视图；(b)金属贴片结构顶视图；(c)闵可夫斯基分形金属结构顶视图；(d)H形缝隙金属结构顶视图(e)金属延迟线结构顶视图；
本实施例中的无源超表面单元结构尺寸参数如下：
介质层的厚度h1＝0.254mm,粘合层的厚度h2＝0.1mm,单元周期边长p＝5mm,第一和第二方形金属贴片的边长a＝2.9mm,第一和第二闵可夫斯基分形金属贴片尺寸参数：b1＝2.3mm,b2＝0.4mm,b3＝0.5mm,第一和第二金属缝隙尺寸参数：c1＝1.5mm,c2＝1.9mm,c3＝0.3mm,c4＝0.2mm,第一和第二金属延迟线尺寸参数：w1＝0.2mm,w2＝0.5mm；
所述无源超表面单元通过设计不同长度(L＝l1+l2+l3)的金属延迟线来控制单元的相位延迟，再通过不同相位延迟单元的排布来实现设计具有特定波束指向的超表面天线。在本实施例中通过设计13种不同长度(L1＝5.1mm,L2＝5.8mm,L3＝3.6,L4＝4.8mm,L5＝5.4mm,L6＝6.4mm,L7＝4mm,L8＝5.2mm,L9＝5.9mm,L10＝3.4mm,L11＝4.4mm,L12＝6.5mm,L13＝3.9mm,)的金属延迟线来构造具有不同透射相移量的无源超表面移相单元，并将其按照相位梯度要求沿y轴方向进行排布，构成无源超表面，再和阵列天线结合在24.3GHz处实现45°方向的波束指向。
面向用户的超表面天线2：如图6所示，主要由四部分组成：第二底层阵列天线201、顶层可重构超表面202，第二支撑用尼龙柱203以及与输入端连接的同轴传输线204；第二底层阵列天线201和顶层可重构超表面202之间有一定的空气间隙，空气间隙的厚度通过固定用的四个第二支撑用尼龙柱203进行控制。在本实施例中，该空气间隙的厚度为5mm；
第二底层阵列天线201采用与面向基站的超表面中阵列天线相同的结构，如附图3所示；
顶层可重构超表面202由10×12个可重构超表面单元组成。图7所示为单个可重构超表面单元结构，单个超表面单元的组成自下而上包括第一环形金属贴片层20201、第十介质基板层20202、第二金属地层20203、第七粘合层20204、直流馈电层20205、第十一介质基板层20206、第二环形金属贴片层20207、第一PIN管20208、第二PIN管20209以及连接直流馈电层和第二环形金属贴片用的金属化通孔20210、连接第一环形金属贴片和第二环形金属贴片的金属化通孔20211；介质基板采用RT6002高频板，厚度为0.508mm，相对介电常数2.94，损耗正切角为0.0012；粘合层采用Cuclad 6700，厚度为0.114mm，相对介电常数2.35，损耗正切角为0.0025；第一PIN管20208和第二PIN管20209采用锡焊的方式加载在第二环形金属贴片20207中间空挡处，与中间的小方形贴片相连；
各层金属图案参见图8，可重构超表面单元金属结构图案二维示意图。(a)第一环形金属贴片结构图；(b)金属地层结构图；(c)直流馈电层金属结构图；(d)第二环形金属贴片结构图；
本实施例中的可重构超表面单元结构尺寸参数如下：
第一环形金属贴片尺寸参数：a'1＝3.1mm,b’1＝2.6mm,c’1＝1.25mm,w’1＝0.4mm,可重构超表面单元周期边长p’＝5.5mm,第二金属地中间过孔直径r’＝0.7mm,直流馈电层尺寸参数：d’0＝0.7mm,d’1＝0.6mm,d’2＝2.8mm,d’3＝2.5mm,d’4＝4.4mm,第二环形金属贴片尺寸参数：a’2＝3.1mm,b’2＝2.9mm,c’2＝0.8mm,w’2＝0.5mm。
可重构超表面单元根据两个PIN管的开关状态可以实现1bit的相位单元，即第一PIN管20208导通，第二PIN管20209关断时，单元的相位延迟在24.3GHz为102度，第一PIN管关断，第二PIN管导通时，单元的相位延迟在24.3GHz为-82度，两者相差180度且都保持-1dB以上的透射系数，从而构成1ibt的可重构超表面单元；
在使用时，面向用户的超表面天线2可以根据信道估计结果实时改变自身的辐射方向图；通过控制模块4，采用一定的编码方式，改变施加在各个PIN管两端的电压，对整个超表面上各单元的相移状态进行调控，从而实时地调控天线辐射方向图，使其对准目标用户。
放大器模块3：端口分别连接面向基站的超表面天线和面向用户的超表面天线，采用半双工双向放大器为核心组件，半双工放大器由两个单刀双掷开关和两个低噪声放大器构成。两个低噪声放大器方向相反，分别用来对下行信号和上行信号进行放大，两个单刀双掷开关用来分时切换上行信号链路和下行信号链路，实现时分双工的信号放大。在本实施例中，采用MACOM公司MAMF-011099Tx/Rx前端模块芯片配合外围电路进行实现。
控制模块4：基于FPGA构建控制模块，控制线连接面向用户的超表面天线上PIN管以及放大器模块的单刀双掷开关和放大器增益控制端。根据信道信息处理模块传来的信道估计信息以及预设的编码，控制面向用户的超表面天线上PIN管的通断，从而对面向用户的超表面天线的辐射方向图进行调控。同时，控制模块4还负责控制放大器的增益和开关以及上行链路和下行链路的分时切换，以便在功耗和通信质量上取得最优效果。
信道信息处理模块5：用于接收来自基站、用户或者其他感知设备的信道估计信息，并对信息进行处理转化为数字信息后发送给控制模块。在本实施例中，在连接面向基站的超表面天线和放大器模块的传输线中添加一个支路用于将天线接收到的信道估计信息传递给信道信息处理模块；信道信息处理模块对接收的模拟信息进行模数转换后转为数字信息，再经过预处理后发送给控制器模块。
参见附图1，本发明所提出基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面在通信系统起到盲区补盲、增强信道的作用。在下行通信过程中，面向基站的超表面天线1用于接收来自基站的信号并通过放大器模块3放大后传输给面向用户的超表面天线2，然后面向用户的超表面天线2再将放大后的信号发送给用户；在上行通信过程中，面向用户的超表面天线2用来接收来自用户的信号并传输给放大器模块3放大后传输给面向用户的超表面天线1，再通过面向用户的超表面天线1向基站发送；控制模块4可以控制面向用户的超表面天线2中的可调元件以及放大器模块3的时序开关和增益。信道信息处理模块5用来接收来自基站或用户的信道估计信息并经过处理后发送给控制模块4，控制模块4根据信道估计信息实时调控面向用户的超表面天线中的辐射方向图使其对准用户。
现结合具体应用场景进一步阐述本发明的工作原理。参见附图9。在没有智能表面辅助通信时，由于建筑物的遮挡，使得建筑物后面的区域成为通信盲区。在建筑物的外墙上贴装本发明提出的一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面。该表面将在基站S6和用户S7见建立新的信道或者提高原有信道的增益，实现通信盲区的补盲，提高信号质量。
具体实施方式如下：
1)根据通信场景的要求，选择合适的位置和姿态安装所述基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面；由于基站的位置通常是固定的，因此当安装的位置和姿态确定时，所述面向基站的超表面天线S1和基站S6的相对方位就确定了，因此，面向基站的超表面天线S1无需可重构功能，而是采用订制化生产，使所述面向基站的超表面天线S1主瓣方向指向基站S6；在本实施例中，基站S6位于所述面向基站的超表面天线S1法线45°方向，因此，将面向基站的超表面天线S1的主瓣方向设计成指向45°方向；
2)在通信过程中，根据信道信息处理模块S5发送的通信用户数量位置等实时信道估计信息，控制模块S4按照一定的预编码策略，以低功耗和高信号质量为优化原则，控制面向用户的超表面天线S2的波束方向图和放大器增益；在本实施例中，假设有两个用户分别位于所述面向用户的超表面天线S2的﹢45°方向和-45°方向，控制模块S4按照编码“001100110011”对面向用户的超表面天线的可重构单元在一维方向上的相位分布进行控制，从而使得天线辐射方向图生成双波束并分别指向﹢45°方向和-45°方向；
3)在下行通信过程中，基站S6向所述面向基站的超表面天线S1发射信号，由于所述面向基站的超表面天线S1波束主瓣方向指向基站，因此，将以较高的效率接收基站信号，接收到的信号随后通过同轴传输线传输至放大器模块S3，经过放大后再通过传输线传输至所述面向用户的超表面天线S2；最后通过面向用户的超表面天线S2按照优化后的波束方向图向用户S7发送信号；
4)上行通信过程与下行通信过程相反，信号从用户端S7发出，由面向用户的超表面天线S2接收经过放大器模块S3传输至面向基站的超表面天线S1，再通过自由空间传输至基站S6。
本实施例中，利用全波电磁仿真软件对面向基站的超表面天线和面向用户的超表面天线的单元和整体性能进行仿真。
仿真1：对面向基站的超表面天线的整体辐射增益性能进行仿真，边界条件设置为open-add space界条件，仿真性能如图10所示，面向基站的超表面天线主瓣在45度方向，实际增益达到16dBi；
仿真2：对面向用户的超表面天线的可重构单元的两种状态的TE模进行仿真，边界条件设置为周期边界条件，仿真得到的透射系数幅度如图11所示，透射系数相位如图12所示；可以看出所设计的面向用户的超表面天线的可重构单元的两种状态对TE波在24.3GHz处均具有较高的透射率(透射系数幅度大于-1dB)，同时透射相位相差接近180°，满足1bit可重构超表面单元设计要求；
仿真3：对面向用户的超表面天线的整体辐射增益性能进行仿真，可重构单元采用“001100110011”的编码，边界条件设置为open-add space界条件，仿真性能如图13所示，面向用户的超表面天线主波束分别指向+45度和－45度方向，实际增益分别为16dBi和10dBi；
以上仿真和数值分析结果说明，本实施例的一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面实现了通信信道的扩展，可以对通信盲区进行补盲，提升通信系统整体信道质量。
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 (8)

1.一种基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，其特征在于：包括面向基站的超表面天线、面向用户的超表面天线、放大器模块、控制模块以及信道信息处理模块；所述面向基站的超表面天线主瓣方向指向基站用于在下行链路中接收来自基站的信号以及在上行链路中向基站转发信号；所述面向用户的超表面天线具有方向图可重构功能，用于在下行链路中向用户转发信号以及在上行链路中接收来自用户的信号，面向基站的超表面天线输入端口和面向用户的超表面天线输入端口通过一个放大器模块进行连接；所述控制模块用来控制面向用户的超表面天线中的可调元件实现天线辐射方向图的变换，同时还用来控制放大器的开关和功率增益；所述信道信息处理模块用来接收信道估计信息，并将处理后的信息发送给控制模块。
2.根据权利要求1所述的基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，其特征在于，所述面向基站的超表面天线主要由第一底层阵列天线、顶层无源超表面、第一支撑用尼龙柱以及与输入端口相连的传输线组成，第一底层阵列天线与顶层无源超表面之间有一定的空气间隙，空气间隙的厚度通过固定用的四个第一支撑用尼龙柱进行控制。
3.根据权利要求1所述的基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，其特征在于，所述面向用户的超表面天线主要由第二底层阵列天线、顶层可重构超表面、第二支撑用尼龙柱以及与输入端连接的同轴传输线组成；第二底层阵列天线和顶层可重构超表面之间有一定的空气间隙，空气间隙的厚度通过四个第二支撑用尼龙柱进行控制；通过控制顶层可重构超表面中各个移相单元上PIN管的通断，实现对超表面移相单元相移量的调控，最终实现对面向用户的超表面天线辐射方向图的调控。
4.根据权利要求1所述的基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，其特征在于，所述面向基站的超表面天线和面向用户的超表面天线之间通过拉开距离和添加吸波材料的方式保持间隔。
5.根据权利要求1所述的基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，其特征在于，所述面向用户的超表面天线和面向基站的超表面天线能够以任意夹角进行放置，从而实现360°全方位的波束方向偏折。
6.根据权利要求1所述的基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，其特征在于，所述放大器模块为半双工双向放大器，由两个低噪声放大器和两个单刀双掷开关构成，两个低噪声放大器反向放置，分别用来放大上行和下行信号，两个单刀双掷开关配合使用，用来分时切换上行和下行放大通路，实现时分双工放大。
7.根据权利要求1所述的基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，其特征在于，所述控制模块由可编程逻辑器件为核心部件构成，具备信号处理能力；所述控制模块根据信道估计的结果，结合预编码策略对面向用户的超表面天线的辐射方向图和放大器的开关及其功率增益进行控制。
8.根据权利要求1所述的基于超表面天线和放大器的有源可重构智能表面，其特征在于，所述信道信息处理模块接收来自基站、用户或者其他感知设备的信道估计信息，并对信息进行处理转化为数字信息后发送给控制模块。
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