何貴舉，蘭 峰,2*，王祿煬，宋天陽，潘一博，陳 智，張雅鑫,2，楊梓強(qiáng),2

(1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.電子科技大學(xué) 長三角研究院(湖州)，浙江 湖州 313001；3.電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

0 引言

超表面是物理和信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，但是傳統(tǒng)的超表面一旦制備出來，其功能即被固定化，無法根據(jù)不同的環(huán)境需求實(shí)時調(diào)控電磁波，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。從20世紀(jì)90年代人工微結(jié)構(gòu)超表面到2010年的編碼超表面概念[1]，到2014年崔鐵軍院士提出信息編碼超表面[2]，超表面的形式已由無源被動向智能可控、數(shù)字化可編程等主動方式演變，可稱之為智能可重構(gòu)表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)。RIS是Massive MIMO的一個演進(jìn)，只反射或折射入射信號，不需要具備射頻鏈路，避免了硬件復(fù)雜度和功耗的問題，可以進(jìn)一步提升多天線規(guī)模，獲得更高的波束賦形增益[3-6]。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了大量基于PIN二極管和變?nèi)荻O管的可重構(gòu)超表面，編碼形式已逐漸從可編程相位擴(kuò)展到可編程振幅和極化[7-13]。基于前面很多學(xué)者的工作基礎(chǔ)上，本文研究了一種太赫茲智能可重構(gòu)超表面，通過對波束的動態(tài)調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)波束掃描、波束卷積和RCS縮減等功能。本研究為RIS的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，通過構(gòu)建智能可控?zé)o線環(huán)境，將有機(jī)會增強(qiáng)5G-Advanced網(wǎng)絡(luò)，并為6G帶來一種全新的通信網(wǎng)絡(luò)范式。

1 超表面單元設(shè)計(jì)

本文提出的太赫茲智能可重構(gòu)超表面是基于開關(guān)二極管構(gòu)建的編碼陣列，單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單元結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Unit structure diagram

單元共有4層，分別為金屬結(jié)構(gòu)層、第一介質(zhì)層、金屬底板層和第二介質(zhì)層。金屬采用的是電導(dǎo)率為5.96×107的銅，厚度為18 μm，金屬結(jié)構(gòu)尺寸為：x1=0.86 mm，x2=0.3 mm，y1=0.39 mm，y2=0.3 mm；第一介質(zhì)層采用的是介電常數(shù)為2.65的F4B，厚度h1=0.55 mm；第二介質(zhì)層采用的是介電常數(shù)為4.3的FR4，厚度h2=0.5 mm；單元周期L=1.5 mm。通過導(dǎo)電柱過孔穿過F4B介質(zhì)層的過孔與金屬底板層連接，接著與FR4介質(zhì)層連接，在底板層兩個導(dǎo)電柱之間有絕緣環(huán)來隔離；金屬結(jié)構(gòu)層的中心通過打孔與金屬底板層和F4B介質(zhì)基板連接。

通過使用三維電磁場仿真軟件(CST)進(jìn)行單元的頻域仿真，設(shè)置Floquet端口，邊界條件為周期邊界。單元的幅值特性如圖2(a)所示，當(dāng)超表面單元上的二極管導(dǎo)通和斷開時在頻率115～130 GHz幅值基本在-7 dB以上，帶寬為15 GHz；單元的相位特性如圖2(b)所示，超表面單元上的二極管導(dǎo)通和斷開在115～130 GHz 產(chǎn)生了180°左右的相位差。二極管的等效模型如圖2(c)所示，二極管型號是MA4AGFCP910。

(a) 單元幅值

(b) 單元相位

(c) 二極管等效模型

當(dāng)二極管導(dǎo)通時相當(dāng)于電阻和電感串聯(lián)，二極管斷開時相當(dāng)于電阻、電容和電感串聯(lián)?？芍貥?gòu)編碼超表面由于其單個超表面單元的狀態(tài)可以被二進(jìn)制數(shù)字控制，將單元按照特定的順序排布在二維平面上以獲得不同的功能。

2 多功能重構(gòu)

2.1 波束掃描

根據(jù)相移梯度調(diào)控實(shí)現(xiàn)波束掃描的原理，為了產(chǎn)生不同角度的波束，超表面單元按照不同的X梯度編碼序列排布在二維平面上，通過控制單元結(jié)構(gòu)上二極管的通和斷，可以控制電磁波相位實(shí)現(xiàn)不同角度的反射。超表面編碼陣列如圖3(a)所示，不同Nx的編碼序列如表1所示，按照表1 的編碼序列，在CST中排列成32×32的編碼陣列。仿真后的二維波束圖如圖3(b)所示，可以看到隨著Nx的增大，波束掃描角度逐漸減小。由于Nx只取整數(shù)值，這種粗糙的離散方法使得反射波束的角度無法連續(xù)變化，在相鄰波束切換的兩個角度之間存在一個盲區(qū)，即一個無法控制波束向其輻射的區(qū)域。本文提出采用分?jǐn)?shù)化編碼方法[14]實(shí)現(xiàn)在高精度分?jǐn)?shù)化取值下匹配對應(yīng)的編碼序列，Nx以0.5為步長達(dá)到對相移梯度的高精細(xì)離散，以實(shí)現(xiàn)波束的連續(xù)性靈活控制。仿真結(jié)果證明編碼超表面可以實(shí)現(xiàn)±24°的波束掃描。

(a) 超表面編碼陣列

(b) 二維波束圖圖3 波束掃描Fig.3 Beam scanning

表1 編碼序列

2.2 波束卷積

為了進(jìn)一步驗(yàn)證超表面單元的多波束重構(gòu)能力，通過卷積定理[15]將兩種不同功能的編碼序列疊加實(shí)現(xiàn)波束角度的偏移。

卷積定理為：

(1)

將此定理應(yīng)用到遠(yuǎn)場散射模式：

E(sinθ-sinθ0)。

(2)

卷積后的遠(yuǎn)場波束角度計(jì)算公式：

(3)

式中，θ1和θ2為梯度編碼的反射角，θ為卷積后的反射角。

當(dāng)Nx=4時，對應(yīng)的x梯度編碼11110000……用Snell公式的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果為：θ=11.7°，φ=0°，當(dāng)Ny=8時，對應(yīng)的y梯度編碼111111110000000……用Snell公式的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果為：θ=5.8°，φ=90°。將上述兩種編碼進(jìn)行卷積運(yùn)算，對應(yīng)卷積后的編碼波束角度用公式(3)計(jì)算，結(jié)果為：θ=12.6°，φ=26.4°。圖4(a)為Nx=4和Ny=8時的二維遠(yuǎn)場波束圖，圖4(b)為卷積后的二維遠(yuǎn)場波束圖，仿真與計(jì)算結(jié)果相符合。

當(dāng)Ny=16時，對應(yīng)的y梯度編碼為11111111111111110000000000000000，用Snell公式的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果為：θ=2.9°，φ=90°。將Nx=4與Ny=16兩種編碼進(jìn)行卷積運(yùn)算，對應(yīng)卷積后的編碼波束角度用式(3)計(jì)算，結(jié)果為：θ=12°，φ=14°。如圖4(c)所示，為Nx=4和Ny=16時的二維遠(yuǎn)場波束圖；圖4(d)為卷積后的二維遠(yuǎn)場波束圖。從這兩種卷積編碼可以發(fā)現(xiàn)，波束發(fā)生偏移并且產(chǎn)生了4個波束，這里只顯示了φ面的波束，另外﹣φ面也有2個波束。仿真結(jié)果表明通過卷積原理可以實(shí)現(xiàn)任意波束的搬移。

(a) 卷積前波束1

(b) 卷積后波束1

(c) 卷積前波束2

(d) 卷積后波束2

2.3 RCS縮減

雷達(dá)散射截面(RCS)是測量目標(biāo)對特定方向入射電磁波散射功率的物理量。超表面單元對于入射的電磁波沒有吸收或者損耗作用，而是將入射電磁能量散射到各個方向，盡可能形成較多的波束。根據(jù)能量守恒定理，每個波束的散射能量將會很低，從而實(shí)現(xiàn)RCS縮減。根據(jù)GRS優(yōu)化編碼[16]，使超表面陣列產(chǎn)生的散射波束在所有可能的方向上均勻分布。與簡單的棋盤編碼相比，這意味著在單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)的超表面RCS的相當(dāng)大的減少。通過遞推公式：

δ0=1，δ2n=δn，δ2n+1=(-1)nδn。

(4)

得到P型編碼：

σn=δn，n=0,1,…,N-1,

(5)

Q型編碼：

(6)

令σn=1代表編碼1，σn=-1代表編碼0。每一個4×4的小陣列為一個超級子單元，代表一位編碼0/1。如圖5(a)所示，取N=7時的8位P型GRS編碼，每個超級子單元代表一位編碼0/1組成32×32編碼陣列。通過在CST中進(jìn)行仿真，得到的三維遠(yuǎn)場方向圖如圖5(b)所示，可以看到反射波束被散射到了各個方向，但是中間有較強(qiáng)的鏡面反射。為了優(yōu)化編碼的空間安排，根據(jù)卷積定理對P型編碼和棋盤式編碼進(jìn)行卷積，得到了一種新的卷積優(yōu)化編碼，它顯著消除了鏡面反射，從而提高了散射波的均勻散度。具體的卷積編碼方案如圖6所示，把卷積后編碼排布成陣列結(jié)構(gòu)在CST中進(jìn)行仿真，仿真的三維遠(yuǎn)場波束如圖7所示，可以看到波束被均勻地分散到各個方向且能量非常低，并且中間的鏡面波束被消除，更好地實(shí)現(xiàn)了RCS縮減。如圖8(a)所示，P型編碼陣列、金屬板和P+棋盤編碼陣列在125 GHz的二維RCS縮減圖，可以看到卷積后的P+棋盤編碼陣列幅值平均在-10 dB以下，相比較金屬板和P型編碼，優(yōu)化后的卷積編碼更好地消除了中間的鏡面反射，使電磁波均勻地散射到各個方向。 電磁波斜入射15°不同頻點(diǎn)的RCS縮減圖如圖8(b)所示，可以看到編碼超表面在斜入射時依然有很好的RCS縮減效果。

(a) P型編碼

(b) 三維遠(yuǎn)場圖圖5 P型編碼陣列和三維遠(yuǎn)場圖Fig.5 P-type coding array and 3D far-field diagram

(a) 編碼方案圖

(b) 卷積編碼方法示意圖圖6 卷積編碼方案圖Fig.6 Convolutional coding scheme diagram

圖7 P+棋盤編碼三維遠(yuǎn)場圖Fig.7 P + checkerboard coding 3D far-field diagram

(a) 不同角度RCS對比

(b) 不同頻點(diǎn)RCS對比圖8 RCS縮減圖對比Fig.8 RCS reduction diagram comparison

3 結(jié)論

本文主要研究了一種太赫茲智能可重構(gòu)超表面，為了驗(yàn)證超表面單元的多功能波束可重構(gòu)能力，超表面單元根據(jù)不同的編碼序列進(jìn)行排列，實(shí)現(xiàn)了波束掃描、波束卷積和RCS縮減等功能。仿真結(jié)果證明，編碼超表面單元可以在太赫茲頻段實(shí)現(xiàn)±24°的波束掃描；可以把兩個不同編碼序列進(jìn)行卷積，實(shí)現(xiàn)波束的搬移；通過優(yōu)化編碼序列，可以實(shí)現(xiàn)在115～130 GHz斜入射15°電磁波照射下，RCS縮減在15 dB以下。本研究為太赫茲智能編碼超表面的發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)，在未來6G太赫茲通信領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。