一种双频段可切换3-Bit相位调控智能超表面*

张俊伟，戴俊彦，张珍，鞠长滨，程强

（1.东南大学，江苏 南京 210096；2.广州大学，广东 广州 510006；3.沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 110850）

0 引言

移动通信技术过往延续着每十年更新一代的发展节奏，每一次代际跃迁，每一次技术进步，都极大地促进了社会产业升级和经济发展。其中每一代的发展思路基本都是通过引入新的关键技术以提高移动通信的能力。第五代移动通信技术（5G）以高速率、低时延和大连接的特点著称[1]；其主要采用了MIMO技术、多载波技术以实现增强移动带宽、超高可靠低时延通信和海量机器类通信三大类应用场景。5G极大地提高了通信系统收发端的效率，但在无线传输环境中的随机性和不可控性仍然阻碍着移动通信网络的发展，随着第六代移动通信（6G）的到来[2]，这一问题愈加突出。6G的目标是以全覆盖、全频谱、全应用、强安全的形式满足生活生产中各类通信需求。因此，如何打破传统移动通信传输环境不可控的桎梏，重构无线传播环境，将成为6G快速发展的关键因素之一。

2021年7月，中国移动通信研究院携手东南大学电磁空间科学与技术研究院率先在5G现网完成智能超表面的技术实验，结果表明：智能超表面可根据用户分布灵活地调整无线环境中的传播信号波束，显著改善线网弱覆盖区域信号强弱、网络容量和用户速率。这也表明智能超表面有能力重构无线环境，给6G通信带来一种全新的网络范式，在未来通信技术的发展中，将具有巨大的应用潜力。

智能超表面最早在2014年由东南大学崔铁军院士团队提出并进行了实验验证[3]。超表面是一种准二维形式的人工电磁材料[4]，是由人为构造的具有特定几何形状的亚波长结构在空间中进行周期或非周期性排列而成的超薄表面。其具有自然材料所没有的特性，能以非常规的方式调控空间电磁波。通过使用数字化编码策略，可以使用二进制数字对超表面进行表征、设计，形成数字编码超表面，比如，1-比特数字编码超表面使用数字“0”和“1”分别表示其两种相反的相位响应0和π。同时，通过嵌入一些可调元器件，如PIN二极管、变容管等，可实现对超表面特性的实时调控。再结合现场可编程器件（如FPGA等），设置指定的编码程序输出相应的控制信号，即可实现对超表面电磁特性的实时、可编程操控。这种用数字可编程方式调控超表面的技术手段，为信息世界和物理世界架起了桥梁，取得了很多令人兴奋的成果[4-9]。

无线通信系统中，智能超表面可以控制无线电磁信号的传播特性（如方向、相位、幅度、极化等），实现对无线信道的重构[10-11]。如图1所示，通过调控超表面单元的反射相位，改变电磁波传播方向，使得电磁信号原本覆盖不到的区域也能拥有信号，以消除盲区，增强信号覆盖，提升通信范围及质量[12-15]。

图1 智能超表面重构无线传输环境

然而，现有的智能超表面多为单一工作频段[16-17]，只能在某一特定频段调控电磁波，且相位调控能力多为2-比特，从而导致信号波束指向调控的分辨率较低、波束赋形能力较差。在实际运用中，不同的移动通信服务商具有不同的工作频段；因此，在有限的空间中布置可多频复用的智能超表面不仅可以节约大量成本，更能实现超表面最优布置位置的空间利用率。针对上述情况，本文设计了一种频段可切换工作的3-Bit相位调控超表面。如图2所示，所设计的超表面拥有一个PIN二极管和一个变容管，其中二极管用来切换超表面的工作频段以实现智能超表面在两个频段复用的功能，变容管用来调控超表面的响应相位以实现智能超表面在两个频段具有3-比特相位调控的能力。所设计的超表面能够在两个频段实现对无线环境的重构，有能力满足实际应用中不同时刻、场景下对不同移动通信频段的需求。

图2 双频段波束调控智能超表面

1 超表面单元设计与分析

1.1 超表面单元结构设计

所设计的智能超表面单元结构如图3（a）所示，一个PIN二极管和一个变容管沿着电场方向放置在最顶层的金属贴片上。表面金属贴片由九个长宽不一的条状结构组成，两个可调器件把金属贴片划分为三块区域。在三块金属贴片区域有三根条形金属贴片用于给两个可调元器件提供直流电压，其中中间贴片为元器件的公共地端，两侧的金属贴片分别提供相应的控制电压以独立调控两个器件的工作状态。在空间电磁波的照射下，通过调控两个器件的工作状态，可以激励起金属贴片不同频段下的电流谐振，从而获得超表面单元不同的电磁响应特性。金属贴片和有源器件放置在一块介质基板上，介质基板的材料是F4B，其介电常数为εr=2.65，损耗角正切为tanδ=0.001。超表面单元底部为一块完整的金属贴片用于反射入射电磁波。该单元所用到的金属贴片的厚度均为0.035 mm，单元具体结构参数见表1。

表1 单元结构参数

图3 双频段3-Bit相位调控智能超表面单元设计示意图

1.2 超表面单元机理分析

所设计的超表面单元使用的变容管型号为SMV1405，PIN二极管型号为SMP1320，由Skyworks公司生产制造，其等效电路图均可由图3（b）表征，由一个电阻、一个电感和一个电容串联而成。其中变容管具体的等效参数为R=0.3 Ω，L=0.7 nF；电容是一个随变容管反向偏置电压增加单调减小的值，其范围是PIN二极管在开（ON）状态时，其具体的等效参数为R=1 Ω，L=1 nF，C=1.7 pF；在关（OFF）状态时，等效参数为R=8 Ω，L=0.76 nF，C=0.192 pF。

该超表面单元的工作机理是通过设计在特定的频段能够对入射的电磁波产生谐振响应的结构，从而实现调控电磁波的能力。在所设计的超表面单元中，PIN二极管在开关两种状态时，单元在两个不同的频段产生了电磁谐振。如图4所示，在PIN二极管开状态时，超表面单元在3.1 GHz具有密集的电流分布，产生了强烈的谐振；而在3.7 GHz基本没有产生谐振。PIN二极管在关状态时，超表面单元在3.1 GHz基本没有密集的电流分布，在3.7 GHz处产生了强烈的谐振响应。在通过PIN二极管确定超表面单元的工作频段后，通过调节变容管的工作状态，可以实现谐振响应频率的微小变化，从而获得超表面单元的梯度相位调节能力。假设超表面的相位调节能力是N-比特，相应的会有间隔相等的2N个相位响应，其中第i个相位可以表示为：

图4 PIN二极管不同状态和频点下单元表面电流分布图

其中φ是单元的初始相位，i=0,1,…,2N-1。本文所设计的超表面单元在两个工作频段内具有3-Bit 的相位调节能力，即8 个具有45°相位梯度的响应相位。

2 仿真结果与分析

本文采用商用仿真软件CST Microwwave Studio 2019对设计的双频段可切换工作的3-Bit相位调控智能超表面进行了仿真分析。其中单元仿真使用了频域求解器，在具体的仿真设置中，超表面单元的仿真频率设置为2.8—4.2 GHz，四周边界条件设置为Unit Cell用以模仿无限大的周期边界环境，z方向的边界条件被设置为Open用以放置生成入射波的激励端口；入射波端口设置为激励TE极化模式的正弦电磁波，即产生电场方向与可调器件方向一致的入射波。另外设置频点为3.1 GHz和3.7 GHz，类型为表面电流的场监视器以获取单元在两个频点的谐振响应情况。执行仿真即可获得超表面单元的电磁响应结果。

全波仿真的结果如图5所示，这里用数字“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”分别来表示归一化后的8个相位状态315°、270°、225°、180°、135°、90°、45°、0°。

图5 双频段3-Bit相位调控智能超表面单元电磁响应

两个工作频段内8个相位状态分别对应的变容管等效电容值如表2所示。当PIN二极管处于开（ON）状态时，超表面单元在3.1 GHz附近具有8个梯度约为45°的相位响应，如图5紫色区域所示；这8个电磁响应的幅度损耗均在6 dB左右。当PIN二极管在关（OFF）状态时，如图5橙色区域所示，超表面单元在3.7 GHz附近具有8个相差45°左右的相位响应，同时幅度损耗在2 dB左右。仿真结果验证了所设计超表面单元在两个不同的工作频段均具有3-Bit相位调控的能力。

表2 不同电磁响应下对应的等效电容值

3 超表面阵列波束调控能力验证

为了验证所设计双频段相位调控智能超表面的波束调控能力，将所设计的单元周期组成10×10的阵列，阵列沿y方向按照编码序列“0#1#2#3#4#5#6#7#0#1#”和“0*1*2*3*4*5*6*7*0*1*”排布。对于一个由N×M个单元组成的超表面阵列，根据阵列远场综合理论公式[18-19]：

可计算出任意编码序列下超表面阵列的散射方向图，最终可通过设计不同的编码序列重构无线电磁环境。此外，根据超表面的广义斯涅耳定律，可以得到超表面阵列周期编码下的波束指向角θr的计算公式[20]：

其中λ为电磁波的工作波长，为相邻两个相位之间的差值，d为相邻相位之间的距离。通过该公式可以计算出两组编码在3.1 GHz和3.7 GHz分别对应的波束指向角为36°和30°。

在仿真软件中，仿真了这两种编码排布下阵列的远场波束指向图。在仿真环境设置方面，采用了时域求解器进行仿真；阵列的四周设置为开放边界；入射电磁波设置为电场沿着y方向（可调器件方向）的平面波；远场场监视器设置为多个频点以获取单元的远场方向图。仿真所得的结果如图6所示，图6（a）为所设计阵列在y方向编码序列为“0#1#2#3#4#5#6#7#0#1#”时，入射电磁波垂直照射下于3.3 GHz处的波束指向图，此时反射主波束的角度大约为30°；图6（b）为所设计阵列在y方向编码序列为“0*1*2*3*4*5*6*7*0*1*”时，电磁波垂直照射下于3.9 GHz处的波束指向图，此时反射波束的角度大约为25°。仿真的结果与计算结果存在些许偏差，且工作频段相较于单元仿真结果有些偏移，产生误差的主要原因来自于单元仿真的环境为无限周期环境，而实际的阵列仿真却是有限边界，因此存在着边缘截断效应。另外理论计算中并没有考虑到阵列单元间的耦合影响，而在实际仿真中，阵列单元之间的耦合影响却难以忽略。尽管如此，全波仿真结果基本验证了所设计智能超表面在两个频段均具有波束调控的能力，具有重构无线通信传播环境的能力。

图6 所设计智能超表面单元组成10×10阵列后在不同编码序列下的波束指向图

4 结束语

本文提出了一种可在两个频段工作的3-Bit相位调控智能超表面，该智能超表面单元包含一个PIN二极管和一个变容管。其中PIN二极管用来切换超表面单元的工作频段，变容管用来控制单元的响应相位。所设计的智能超表面可以在两个独立的频段内实现无线传输环境的重构，有希望打破传统通信环境信道不可控的桎梏，成为6G发展的关键技术之一。