一种应用于无线网络通信智能超表面的设计

崔亦军，赵志勇，吴建军，汤 剑，陈烈强

(1.中兴通讯股份有限公司，上海 201203；
2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518055)

超材料是指一类在自然界不存在、具有特殊性质和功能的人造材料，通常由具有亚波长周期或准周期结构组成[1-2]。早期的超材料功能单一，只能按照固化的模式工作，不能实时调控电磁波，在超材料后期的发展过程中，逐渐往“智能化” “信息化”方向发展，这类超材料称之为“信息超材料”。与过去具有单一功能的超材料相比，信息超材料基本单元含有可控微电路。实际实现时，偏压微电路可以采用PIN管、三极管、MEMS、石墨烯、温敏器件及光敏器件等元器件实现。在后端电路不同的控制条件及编程环境下，可实现“关”和“开”等不同状态，两种状态分别用二进制数“0”和“1”表征，对来波具有不同的相位响应。此时，传统意义上的超材料具有了信息编码能力。通过对信息超材料的深入设计，可以实现对入射电磁波多个维度的调控，并能够实现一些特别的性质和功能，比如负折射[3-4]、完美吸波体[5-6],以及对电磁波相位[5]、幅度[7]和极化调控[8]。智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)正是信息超材料在无线通信方面一种应用。

无线通信中，信号在传输过程中会经历复杂的反射、散射、绕射、透射和干扰，电磁波在无线信道传播环境中会不断地衰减，很难以完美传播的方式将信息传递给终端用户。为了适应无线通信环境，最常用的手段是采用加大基站的发射功率、提升终端设备接收信号的能力，或者优化无线通信环境中组网架构，例如采用高低频协同、使用高增益天线、多点协作、微站补盲和增大发射功率等措施，尽最大努力解决信号在传播过程中的不确定因素。智能超表面可以通过改变电磁单元的排列组成，从而根据场景需要改变信号的幅度和相位[4]，进而通过可编程的方式实现对无线环境中传输信道的优化。

在无线通信网络中引入智能超表面，按需提高无线网络覆盖和容量，改变信号的传输特性，被认为是未来无线通信的关键技术之一[9-11]。现有研究主要集中针对RIS功能性方面，如极化转换[8]、隐身[12]和负折射[13]等偏学术方面研究。本文设计的反射式智能超表面所展现功能主要侧重于工程应用方面，选用PIN管作为控制开关器件，将PIN管表贴到智能超表面单元中的微电路中，通过仿真优化设计了一种与现有基站极化方向相匹配的各单元独立可调的反射式智能超表面，每个单元均可实现1 bit调相。在此基础之上，根据阵列智能超表面单元的散射场理论以及每个单元状态矩阵，通过算法优化，可以得出实现不同角度反射电磁波的码本(每个基本单元需要控制PIN的状态)，经过暗室实测，不同的码本能够实现不同角度的反射电磁波出射，工程上验证了反射式智能超表面具有对电磁波进行波束控制调整的能力，能够对无线环境的传输信道进行重塑以及优化。

本次设计的智能超表面工作频段为毫米波频段，智能超表面单元所用等效模型如图1所示，单元结构金属层主要包括三部分：带有PIN管和矩形贴片的表层、金属地层以及隔直层，各层之间通过介质基板隔开。PIN管的一端通过金属过孔连接地层，另一端通过金属通孔连接到隔直扇形枝节，最后通过扇形枝节引向后端控制电路，其中扇形枝节主要起隔离作用[14]，主要防止后端控制信号对智能超表面单元表面激发的射频信号形成干扰。由于基站中所发射信号的极化方向为±45°方向，为最大程度地反射基站所发射信号，智能超表面的极化方向和基站的极化方向需保持一致。由于PIN管只会对通过其PN结的电流产生响应，而表面金属层表面感应电流方向和入射波电场极化方向保持一致，故PIN管所摆放位置方向应和入射波电场极化方向保持一致，即斜45°方向。

图1 RIS基本单元Fig.1 Basic unit of RIS

由于Ansys HFSS仿真模型中，无法直接使用有源器件建模仿真，因此PIN管需要用等效电路模型代替，其“开” “关”状态等效电路如表1所示，“开”状态等效为电阻和电感串联，“关”状态等效为电容和电阻并联后再和电感串联。实际工作中，是通过后端控制信号控制PIN管的“开” “关”，当PIN管处于“开”时，PIN管对射频信号导通;当PIN处于“关”时，PIN管对射频信号截止，两种状态分别用数字“1”和“0”表征。为了最大程度地接收来自基站的信号，单元阵子的极化方向与现有基站极化方向保持一致，单元尺寸为亚波长结构。为最大限度地保证智能超表面的反射增益，应使得“开”状态和“关”状态在360°的相位周期中相位差达到最大，即二者之间的相位差需保证在180°。

表1 PIN管等效电路模型Tab.1 Equivalent circuit model of PIN

通过HFSS仿真软件优化，单元阵子在PIN管两种状态下的反射相位如图2所示，暗灰色线段为PIN管“开”状态反射相位，橘黄色线段为PIN管“关”状态反射相位差。单元在毫米波工作频带内开状态和关状态的相位差大体可以满足180°±20°的相位设计要求，能够实现1 bit两种状态的调相能力。

图2 RIS单元在PIN管两种不同状态下的反射相位Fig.2 Reflection phase of RIS unit in two different states of PIN

现用上述单元周期排列形成智能超表面阵列，阵列为正方形，如图3所示。

图3 单元阵列Fig.3 RIS unit array

测试时，所使用天线为45°极化方向的喇叭天线。其中智能超表面的散射场可大体表示为如下:

Γmnejφmn·fmn(θ,φ).ejk0d(msin θcos φ+nsin θsin φ),

(1)

式中，Amn和αmn表示入射波的幅度和相位，Γmn和φmn表示反射波的幅度和相位，fmn(θ,φ)为归一化的单元散射方向图，θmn和φmn激励源相对于发射源的俯仰角和方位角，d为智能超表面单元周期。由于所设计的智能超表面单元可以看成是一种“被动”式微带天线，可用微带天线的方向图代替智能超表面单元的散射方向图，故式中散射方向函数可写为f(θ,φ)=cosθ，式(1)可简化成为：

Γmnejθmn·ejk0d(msin θcos φ+nsin θsin φ)。

(2)

观察式(2)，对于指定的激励源，可以根据每个单元的“开” “关”状态推演出整个智能超表面的散射场。将两种不同状态单元的反射相位归一化后，“开” “关”两种状态的反射相位可分别用180°和0°表示，用二进制编码分别表示为1和0。将智能超表面想象成一个方块矩阵，超表面中每个单元一一映射到矩阵中的每个矩阵元素，该映射关系具有唯一性。则表示智能超表面各单元开关状态的矩阵可表示为：

(3)

将上述映射关系以及阵列的整体散射带入算法中优化后，可得到相应场形图的码本。生成的码本烧入后端控制电路，可控制智能超表面每个单元的开关状态，每种码本对应智能超表面反射电磁波的方向图。

为了验证所设计智能超表面性能，将加工制成的智能超表面放置在暗室中进行测试，本次测试采用2×2拼接单元组成一个大的正方形阵列，测试实物如图4所示。

图4 2×2拼接RISFig.4 2×2 split joint RIS

在暗室中的测试如图5所示，其中智能超表面和发射天线分别固定到对应的测试工装上，位置保持固定不变，即电磁波的入射角度保持固定不变，UE接收天线在一个平面上进行移动，接收反射电磁波。

图5 暗室测试Fig.5 Darkroom testing

本次测试根据阵列散射场理论以及算法优化输出了电磁波不同反射角度(-50°、-30°、0°、30°、50°)码本，把码本输入到后端控制电路，通过暗室实际测试，出射电磁波的实际测量角度如图6所示，从图中可知，实际测量角度与理论角度之间的误差极小，忽略暗室测试环境、实际摆放误差和加工误差等方面的因素后，测试结果满足设计指标要求，在工程上验证了所设计的智能超表面对反射电磁波具有波束方向控制调整的能力。

图6 不同码本实际扫描角度Fig.6 Actual test scanning angle of different code

本文设计了一款在毫米波频段、基于PIN管控制、能够满足1 bit调相的各单元独立可调的反射智能超表面，利用单元在不同状态条件下反射相位不同的特性以及阵列散射场的理论，可以实现对反射电磁波角度的调整，并且通过暗室实测验证其工程可实现性，由此说明智能超表面能够重塑以及优化无线环境传输信道，可以按需显著地提高无线网络覆盖和容量。