CN118041414A - 一种无线通信信道增强中继系统 - Google Patents

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signal
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张金玲
段立凤
郑占奇
朱雄志
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Beijing University of Posts and Telecommunications
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Beijing University of Posts and Telecommunications
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Abstract

本发明涉及一种无线通信信道增强中继系统，包括：信号接收天线阵列、能量环馈网络、信号发送天线阵列以及超材料透镜；所述信号接收天线阵列，用于接收基站发送的通信波束；所述能量环馈网络，连接所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列，将所述信号接收天线阵列接收的通信波束经功率分配和合成，产生所述信号发送天线阵列所要发送的信号波束；所述信号发送天线阵列，用于将所述信号波束发送给用户终端；所述超材料透镜，用于进行相位调整，加载在所述通信波束和所述信号波束的传输路径上。本方案，能够对基站所不能覆盖或者电磁波衰减大等通信“盲区”进行补盲。

Description

一种无线通信信道增强中继系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是关于一种无线通信信道增强中继系统。
背景技术
未来面向万物联网、智慧生活、远程医疗等新技术，对无线通信系统提出了更高要求。打破传统蜂窝架构以及小区分裂的思维方式，采用新型无蜂窝组网及相应的大规模协作MIMO技术有望进一步提高网络容量。由于低频段频谱资源枯竭，扩展频谱资源是提高峰值速率最有效的办法，因而从5G的毫米波到更高频段的太赫兹成为满足6G峰值速率的主要解决手段。然而，在电磁波的传播中，遇到体积比自身波长更大的物体会发生全反射现象，并且短波电磁波在介质中传输时损耗更大。
本申请的发明人在研究中发现，现有技术针对电磁波传输损耗大的解决方式，包括大量部署分布式基站，虽然有益于信号增强，然而这也增高了系统的成本和功耗。另外，现有技术基于可重构智能反射表面作为信号中继，需要大量可调毫米波器件，也具有相位量化范围宽、聚焦模糊、控制难度高以及刷新时间成本高等刚性问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种无线通信信道增强中继系统，能够对基站所不能覆盖或者电磁波衰减大等通信“盲区”进行补盲，具有低成本、低时间开销、低复杂度的技术优势。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种无线通信信道增强中继系统，包括：信号接收天线阵列、能量环馈网络、信号发送天线阵列以及超材料透镜；
所述信号接收天线阵列，用于接收基站发送的通信波束；
所述能量环馈网络，连接所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列，将所述信号接收天线阵列接收的通信波束经功率分配和合成，产生所述信号发送天线阵列所要发送的信号波束；
所述信号发送天线阵列，用于将所述信号波束发送给用户终端；
所述超材料透镜，用于进行相位调整，加载在所述通信波束和所述信号波束的传输路径上。
在本申请的一种实现方式中，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列共面。
在本申请的一种实现方式中，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列，均为四天线单元阵列。
在本申请的一种实现方式中，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列的极化方向正交；
所述信号接收天线阵列或所述信号发送天线阵列的相邻天线单元相距0.6倍信号的波长；
所述信号接收天线阵列或所述信号发送天线阵列之间的阵列相距1.13倍信号波长。
在本申请的一种实现方式中，所述能量环馈网络由两个功分网络级联而成，其中之一的功分网络用于信号接收天线阵列的功率合成与分配，另一功分网络用于信号发送天线阵列的功率合成与分配。
在本申请的一种实现方式中，所述功分网络为一分四功分网络。
在本申请的一种实现方式中，所述超材料透镜，由周期性排列的超材料单元构成，每一超材料单元，用于对透过该位置处的电磁波信号进行相位补偿。
在本申请的一种实现方式中，所述超材料透镜的超材料单元的排列方式为61单元×125单元。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明申请方案中的无线通信信道增强中继系统，包括：信号接收天线阵列、能量环馈网络、信号发送天线阵列以及超材料透镜。其中，信号接收天线阵列，接收基站发送的通信波束；能量环馈网络，将信号接收天线阵列接收的通信波束经功率分配和合成，产生信号发送天线阵列所要发送的信号波束；信号发送天线阵列，将信号波束发送给用户终端；超材料透镜，用于进行相位调整，加载在波束的传输路径上，实现低成本、低时间开销、低复杂度的中继系统，对基站所不能覆盖或者电磁波衰减大等通信“盲区”进行补盲。
附图说明
图1为本申请实施例的系统的应用场景的示意图；
图2为本申请实施例的信号接收天线阵列和信号发送天线阵列的示意图；
图3是本发明实施例的能量环馈网络的示意图；
图4为本申请实施例的超材料透镜示意图；
图5a是本申请的仿真场景示意图；
图5b是基于图5a仿真场景的仿真结果示意图；
图6是本申请实施例的波束扫描示意图。
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的附图，对本发明实施例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。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术电磁波传输损耗大，而大量部署分布式基站的成本和功耗高的技术问题。本申请相应提供一种无线通信信道增强中继系统。其中，所述系统包括：信号接收天线阵列、能量环馈网络、信号发送天线阵列以及超材料透镜；所述信号接收天线阵列，用于接收基站发送的通信波束；所述能量环馈网络，连接所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列，将所述信号接收天线阵列接收的通信波束经功率分配和合成，产生所述信号发送天线阵列所要发送的信号波束；所述信号发送天线阵列，用于将所述信号波束发送给用户终端；所述超材料透镜，用于进行相位调整，加载在所述通信波束和所述信号波束的传输路径上。本申请方案，能够对基站所不能覆盖或者电磁波衰减大等通信“盲区”进行补盲，具有低成本、低时间开销、低复杂度的技术优势。
下面在本申请的一些更为详细的实施例中说明上述方法。
本申请实施例提出的无线通信信道增强中继系统(具体的，命名为“超透中继”信道增强系统)，由两个四单元(天线)阵列、能量环馈网络、超材料透镜组成。
更为具体的，两个四单元阵列位于同一平面，阵列间距为1.13个波长；阵列一辐射出指向基站的固定波束，用来接收基站发出的信号；阵列二指向用户，具有波束扫描能力，用于将接收到的基站信号“转发”至用户。
能量环馈网络，用于两个阵列之间的信号传递，以及能量的功率分配和功率合成。
超材料透镜，由可以调控电磁波相位的超材料单元构成，用于电磁波的聚焦。
请参阅图1的应用场景，假定基站天线被安装在高度为15m的塔上，“超透中继”系统被固定在建筑物一的墙体上，阵列一产生指向基站的波束，阵列二产生指向基站覆盖不到(信号被建筑物二遮挡)的用户。
两个正交极化收、发阵列示意图如图2所示，阵元间距为0.6个波长，两阵列间距为1.13个波长。
请参阅图3，能量环馈网络由两个一分四功分网络级联而成，其中固定功分网络一负责阵列一的功率分配和功率合成，可调功分网络二负责阵列二的功率分配与功率合成，调整阵列二的波束指向。两个阵列通过该环馈网络进行能量交换，完成信号接收和转发。
如图4，超材料透镜示意图，该透镜由周期性排列的超材料单元构成，每个超材料单元都能对该位置处的电磁波进行相位补偿。在本申请的一个具体实施例中，超材料透镜可以是采用61单元×125单元排列方式。
图5a是本申请实施例的一个仿真场景示意图。为了便于仿真验证，用喇叭天线替代基站，向中继系统中的阵列一辐射波束，阵列一对接收到的射频能量进行合成并通过环馈网络对阵列二进行馈电。
图5b为对应的仿真结果。当喇叭辐射出的电磁波照射到阵列一的最大增益方向，整个“超透中继”系统远场增益方向图表现为:最强增益方向与阵列二单独激励时最强增益方向一致，表明所提出的“超透中继”系统能够按照预期目标正常工作。
同时，在本申请实施例中，阵列一向基站方向辐射固定波束，阵列二向用户进行照射，需要具备一定的波束扫描能力，其波束扫描能力示意图如图6所示，可以看出所提出的模型能够实现±45°的波束扫描能力。
综上所述，本申请实施例提供的无线通信信道增强中继系统，包括：信号接收天线阵列、能量环馈网络、信号发送天线阵列以及超材料透镜。其中，信号接收天线阵列，接收基站发送的通信波束；能量环馈网络，将信号接收天线阵列接收的通信波束经功率分配和合成，产生信号发送天线阵列所要发送的信号波束；信号发送天线阵列，将信号波束发送给用户终端；超材料透镜，用于进行相位调整，加载在波束的传输路径上，实现低成本、低时间开销、低复杂度的中继系统，对基站所不能覆盖或者电磁波衰减大等通信“盲区”进行补盲。
以上上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种无线通信信道增强中继系统，其特征在于，包括：信号接收天线阵列、能量环馈网络、信号发送天线阵列以及超材料透镜；
所述信号接收天线阵列，用于接收基站发送的通信波束；
所述能量环馈网络，连接所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列，将所述信号接收天线阵列接收的通信波束经功率分配和合成，产生所述信号发送天线阵列所要发送的信号波束；
所述信号发送天线阵列，用于将所述信号波束发送给用户终端；
所述超材料透镜，用于进行相位调整，加载在所述通信波束和所述信号波束的传输路径上。
2.根据权利要求1所述的无线通信信道增强中继系统，其特征在于，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列共面。
3.根据权利要求2所述的无线通信信道增强中继系统，其特征在于，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列，均为四天线单元阵列。
4.根据权利要求3所述的无线通信信道增强中继系统，其特征在于，所述信号接收天线阵列和所述信号发送天线阵列的极化方向正交；
所述信号接收天线阵列或所述信号发送天线阵列的相邻天线单元相距0.6倍信号的波长；
所述信号接收天线阵列或所述信号发送天线阵列之间的阵列间距为1.13倍信号波长。
5.据权利要求1所述的无线通信信道增强中继系统，其特征在于，所述能量环馈网络由两个功分网络级联而成，其中之一的功分网络用于信号接收天线阵列的功率分配，另一功分网络用于信号发送天线阵列的功率分配。
6.根据权利要求5所述的无线通信信道增强中继系统，其特征在于，所述功分网络为一分四功分网络。
7.根据权利要求1所述的无线通信信道增强中继系统，其特征在于，所述超材料透镜，由周期性排列的超材料单元构成，每一超材料单元，用于对透过该位置处的电磁波信号进行相位补偿。
8.根据权利要求7所述的无线通信信道增强中继系统，其特征在于，所述超材料透镜的超材料单元的排列方式为61单元×125单元。
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