多功能低成本智能超表面的设计与应用*

薛皓，郑哲，韩家奇，朱利豪，李龙

（西安电子科技大学超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室，陕西 西安 710071）

0 引言

无线通信技术的发展为社会的发展与人们的生活带来深刻变革。现如今，移动通信已融入到日常生活的各个方面，相关业务的爆炸式增长不断对无线通信技术的进步提出挑战。面向未来万物互联的社会生活，大规模多输入多输出（MIMO,Multiple-Input Multiple-Output）等众多无线通信技术被不断研究，在一定程度上实现了频率效率或能源效率的提升[1-3]。随着无人驾驶、虚拟现实等具有更丰富功能的应用发展，需要进一步提升系统容量与数据传输速率，而频谱资源的日趋匮乏阻碍了通信系统性能的提升。为了解决频谱不足的问题，一方面可采用更高的频段以展宽通信带宽并拓展频谱资源，毫米波（mmWave）乃至太赫兹（THz）的频段已逐步实现探索[4-5]。另一方面，可在相同频率下具有无限种正交轨道角动量（OAM,Orbital Angular Momentum）模态的涡旋电磁波也体现出提升频谱利用率的潜能[6-7]。上述两种技术在学术界和产业界都被视为未来第六代（6G）移动通信系统需要重点发展的潜在关键技术[8]，与之相关的研究得到人们的密切关注。

与此同时，采用更高频率的无线载波也存在一定问题，由于明显的路径损耗与波束高指向性影响信号覆盖范围，在非视距（NLoS,Non-Line-of-Sight）条件的场景中，往往难以实现良好信号覆盖。为了提升信号弱区或盲区的通信质量，可采用小型基站、有源中继、无源反射器等装置[9-11]。但有源器件会带来更多干扰，同时需要更多的能源消耗与硬件成本。无源反射器则在结构固定后无法对波束灵活调控，从而难以适用于移动通信的动态场景。为此，可采用作为6G核心技术的可重构智能超表面（RIS,Reconfigurable Intelligent Surface）来实现对波束的动态调制[12-17]。考虑到RIS中每个阵元都可通过二极管的状态变化实现调整，其对馈源形式并无限制。除了可对基站照射的平面波进行调控，也可直接由馈源喇叭照射，实现各种所需波束，如可用于复用通信的各种模态涡旋波束。因此，RIS可作为通用装置，分别完成信号覆盖与涡旋波束调控这两种6G通信中重要技术的多功能实现。考虑到RIS易于与建筑物墙壁等集成设计，其可在不改变现有基础设施的基础上集成于已有通信系统中。另一方面，RIS的引入会在提升系统性能的同时增加设计复杂度及相关成本，且随着RIS口径的增大与频率的增高，将使用更多、价格更贵的二极管，因此要实现RIS的大规模部署与更多场景的应用，其低成本的设计是相关设计中的重要一环。

目前在通信领域进行RIS及其低成本设计的研究主要集中在软件算法层面的理论分析上。不同的RIS及RIS中的单元往往被视为矩阵中具有幅度与相位调整能力的元素，从而将其对信号的处理能力简化为信道模型中的矩阵，因此信道估计的时间开销将随单元数的增加而增加。为降低时间开销及相关成本，可对反射单元分组并为相邻单元配置相同参数，从客观上降低单元数目[18]；也可利用毫米波信道稀疏性与压缩感知技术，将信道估计转化为稀疏信号恢复问题[19]；或利用人工智能技术[20-22]，在深度学习体系下缩短估计时间并降低计算复杂度。上述方法为RIS加入通信系统后降低成本与复杂度提供了丰富的理论指导，但并未考虑RIS的实际使用性能与现实环境中的实测数据。如在降低单元数目的硬件设计方面，目前仅有对1-bit可重构单元的初步尝试[23]，而未进行更高比特位（如2-bit功能RIS）或阵列的低成本设计。考虑到硬件性能的提升与成本的降低有利于相关的各类系统，并可与软件优化进行结合，因此适用于系统功能的硬件设计具有重要研究价值。

为了实现适用于6G的多功能RIS的低成本设计，本文通过对毫米波频段的可重构单元进行子阵列设计，从而在单元设计时实现对PIN管加载量50%的缩减。进一步，基于预相位（Pre-phase）的设计理念，通过对两个1-bit单元进行预相位设计实现2-bit功能，与传统2-bit的RIS相比实现PIN管加载量75%的缩减，实现了硬件的低成本设计并降低了控制电路设计的复杂度。采用上述具有2-bit功能的RIS，可在喇叭馈电时实现不同模态的涡旋波束；在平面波馈电时实现定向波束扫描，从而可用于复用通信或通信盲区的信号覆盖。上述设计与应用为RIS的硬件设计提供了可行的低成本方案，同时可与其他已有软件优化方案进行结合，为未来RIS的实际部署打下基础。

1 低成本RIS设计方案

与不可重构的超表面相比，电可调RIS最大的区别在于为每个超表面单元加载了PIN二极管或变容二极管，从而可通过控制电路调控每个单元上二极管的状态，实现对单元补偿相位的控制。本文采用PIN管实现对可重构单元状态的调整，进而根据需求调整阵面的相位分布并实现对应功能。因此，RIS的主要能耗与成本都集中在PIN管及其控制电路上，对RIS进行低成本设计的主要方案即为对其PIN管的加载量进行缩减。

1.1 单元的子阵列设计

以往1-bit的RIS设计时，每个贴片形式的可重构单元都需要采用一个PIN管进行控制，从而实现单元补偿相位0°与180°的变化，完成可重构的性能。为了在单元设计时实现PIN管的缩减，可考虑将原本属于不同可重构单元的贴片进行连接，并采用单个PIN管对连接后形成的子阵列进行控制，如此便提供了一种将原本M个单元所需的M个PIN管缩减为1个的低成本方案。为此，本文在30 GHz将两个贴片进行连接并采用单个PIN管进行控制，单元的结构示意图如图1所示。

在HFSS中对此单元进行仿真时，PIN管可采用RLC边界进行等效，单元的贴片层蚀刻在介质板1的上表面，两个贴片通过微带线进行连接，然后经过PIN管与相位延迟线相连。介质基板1与2共用金属地板，同时介质基板2的下表面蚀刻有直流偏置线。所采用介质基板1与2的相对介电常数都为2.2，厚度为0.5 mm。考虑到不同贴片间的相互影响，上述子阵列设计与普通可重构单元相比难度有所增大，但仍主要通过对贴片尺寸、贴片间间距、贴片与微带线间匹配的设计实现所需的单元性能。在HFSS中采用无限周期边界与Floquet端口对上述单元进行优化，可得对应的尺寸参数如表1所示：

表1 可重构单元1的结构尺寸 mm

此时，在不同的PIN管状态下可重构单元的反射相位相差180°，同时单元的反射损耗在PIN管断开时小于0.4 dB，开通时小于1.5 dB，体现出在较小的损耗下实现1-bit编码相位的能力。由于此时通过单个PIN管完成对两个贴片的控制，从而在单元设计时将PIN的加载量缩减了50%，完成低成本RIS的第一步设计。

1.2 预相位设计与2-bit功能的实现

在采用可重构单元实现阵列性能时，1-bit的单元分辨率有限，往往导致波束性能的下降甚至完全无法实现所需波束。如在平面波垂直入射的情况下，1-bit的RIS由于补偿相位360°的周期性，难以区分180°与-180°的相位差，在进行波束扫描时往往只能实现两个对称波束的产生，使得单方向波束的能量降低3 dB。为了克服这种缺陷，需要对可重构单元进行更高比特位的设计，此时可采用预相位的设计理念，分别设计两个1-bit的单元，并使得两个单元间具有90°的相位差，即可通过两个具有1-bit功能的可重构单元构成0°、180°与90°、270°的离散相位，从而实现2-bit的功能。

此时可在图1可重构单元1的基础上进行微调，通过相位延迟线的调节实现补偿相位与之前相差90°的调整，并对单元其他参数进行优化以保证单元自身1-bit功能的实现。可得经过预相位设计的可重构单元2尺寸参数如表2所示。在上述单元尺寸下，所设计的两个可重构单元可分别实现各自1-bit的功能，在PIN管不同状态下反射损耗均小于2 dB且反射相位相差180°，同时两个单元在相同PIN管状态下具有90°的相位差，从而可用于2-bit的RIS设计。

表2 预相位设计的可重构单元2的结构尺寸 mm

与以往单个2-bit可重构单元就需要两个PIN管相比，单元的子阵列设计与预相位设计共同实现了PIN管75%的缩减，达到了低成本的硬件设计目标。若进一步考虑这种硬件低成本RIS应用于实际通信系统中的场景，由于基站与RIS往往是联合部署的，因此二者间可通过已知的相对位置进行交互。可将RIS的少量单元用有源单元替代[24]，或直接在RIS上加载用于交互的天线或通信模块，在不影响RIS自身性能的同时完成与基站的交互。同时，可完成基站-RIS-用户的信道估计，并由此设计预编码矩阵和RIS反射系数，从而通过交互提高通信性能[25]。加载RIS后的通信系统除了具有基站与用户间的直达信道外，还包括经过RIS的信道，由于RIS往往不具备信号处理能力，因此在信道估计时也可将少量单元改为有源单元，并利用其与剩余单元的相关性来构造信道。也可通过基站或用户端获取精确信道参数，并将RIS和基站、RIS与用户间的信道作为级联信道，采用压缩感知或深度学习等技术进行估计[26-27]。无论采用哪种信道估计方法，本文从硬件角度对RIS进行的简化设计都将完成信道估计的复杂度与相关成本的降低。因此，所做的低成本设计除了在硬件方面体现明显外，也可在相关模型构建、信道估计等软件设计方面降低成本。

2 低成本RIS的多功能实现

2.1 不同模态涡旋波的调控

涡旋电磁波所携带的轨道角动量（OAM,Orbital Angular Momentum）与体现为圆极化状态的自旋角动量同属于角动量，其与平面波相比最明显的特征为具有螺旋相位因子ejlφ。其中j为虚数单位，φ为方向角。l为涡旋波的模态值，在取不同值时可赋予不同模态波束相互正交的特性，独立于通信领域现有的频率、极化等正交维度，为频谱利用率的提升提供了新的方案。

此处以馈源喇叭进行馈电为例实现各种不同模态的涡旋波束，首先需要通过RIS上不同单元将喇叭辐射的波束补偿为平面波。对于位于笛卡尔坐标系中xoy面且几何中心位于坐标原点的RIS而言，阵面上坐标为(xi,yj,0)的单元所需的补偿相位为：

其中k=2π/λ为波矢，λ为工作波长。(xf,yf,zf)为馈源喇叭在直角坐标系中的坐标。在此基础上，产生l阶涡旋波束所需的补偿相位为：

将上述两种补偿相位进行叠加，即可得到不同位置处单元所需的最终补偿相位φc。在使用RIS时，需要将所得的连续补偿相位进行离散化处理，此处由于单元具备2-bit调控能力，因此传统的相位离散公式为：

此时的编码规则可概括如下：当连续的补偿相位在区间(-90°，0°]时，采用单元1，单元1的编码相位为0°，对应“0”状态，即PIN管的Off状态，可将单元选择与PIN管状态联合记为“1-0”状态；同理，剩下三种状态依次记为“1-1”状态、“2-0”状态、“2-1”状态。在采用预相位设计时，需要首先确定不同可重构单元的位置，然后再根据确定的单元位置进行编码设计。考虑到不同阶的涡旋波往往需要通过2-bit及以上的离散相位分布产生，因此此处编码规则改进如下：首先确认平面波入射并产生垂直出射的+1阶涡旋波所需的相位，并利用可重构单元1和2实现此初始相位。在此基础上，其他波束所需相位由对应补偿相位与所设置的初始相位相减，并做1-bit量化，从而确定最终每个单元上PIN管的状态。

基于上述编码规则，采用单元个数为12×24的RIS进行计算，可得产生模态值为+1与-1的涡旋波所需的传统离散相位和预相位设计所需离散相位分布如图2所示。可以看到，无论采用哪种方法都能看到涡旋波特有的螺旋臂，而预相位设计则会导致补偿相位信息中包含了原本初始相位信息。根据预相位设计所需的离散相位分布确定每个单元对应RLC边界的状态，并在HFSS中构建RIS模型进行全波仿真，可得平行于RIS且距离阵面30倍波长的观察面上的电场幅度与相位分布。采用上述电场数据进行全孔径采样分析，可得对应模态谱分布。上述仿真结果如图3所示。

图2 产生+1模态涡旋波时：（a）采用传统2-bit量化；（b）预相位设计的量化相位分布，以及产生-1模态涡旋波时：（c）采用传统2-bit量化；（d）预相位设计的量化相位分布

图3 采用所设计RIS实现（a）+1和（b）-1模态涡旋波对应的归一化电场幅度、电场相位、模态谱分布

由仿真结果可以看到，涡旋波的幅度与相位分布符合其固有的“甜甜圈”与“螺旋臂”分布，而从模态谱可进一步看到波束的模态纯度大于85%，因此具备良好的涡旋特性。因此，采用所设计的低成本RIS可实现对涡旋波OAM模态的灵活调控，为基于涡旋波模态正交性与多样性的无线通信提供了一种可行方法与装置。

2.2 可用于盲区覆盖的定向波束扫描

为了展宽频谱而提升通信载波的频率后，高频电磁波更短的波长更易在路径中损耗能量从而造成更明显的通信弱区或盲区，这些区域的信号强度难以达到移动通信的要求，从而影响通信质量。为此，可采用RIS对基站处辐射的电磁能量进行重新分配，从而提升通信盲区的信号强度，完成信号覆盖。由于本文实现了2-bit的RIS功能，因此其可对基站处辐射的平面波进行单波束或多波束的波束扫描。为体现所设计RIS的优势，此处采用单波束扫描说明RIS性能。

在采用平面波进行馈电时，无需对馈源喇叭进行相位补偿，而仅需对偏转的单个波束进行相位补偿，若第n个偏转波束的俯仰角与方位角分别为θn与φn，其所需的补偿相位为：

当需要实现不同偏转方向的多个波束时，所需补偿相位可由不同波束所需场的矢量加和求得：

通过设置所需偏转波束的偏转角度，可获得产生波束所需的连续补偿相位以及传统2-bit量化相位，将连续相位与所设置的初始相位相减，再将其进行1-bit量化，可得如图4所示方位角为90°，俯仰角分别为30°、40°、50°时偏转波束的传统与预相位设计离散相位分布图：

图4 采用传统2-bit量化且实现偏转角度为（a）30°、（b）40°、（c）50°的偏转波束所需的量化相位分布，（d）-（f）为对应采用预相位设计时的量化相位分布

可以看到随着偏转角度的变化，离散化相位分布也体现出相同的变化趋势。将所得预相位设计所需相位分布应用于所设计的RIS模型并采用HFSS全波仿真，可得不同偏转角度下波束的方向性系数仿真结果如图5所示：

图5 采用预相位设计实现偏转角度为30°、40°、50°的偏转波束的方向性系数

从仿真结果可知，随着偏转角度的增大，波束的副瓣略有提升，但波束的主瓣一直性能良好，表明采用所设计的RIS可在设置的偏转角度上实现对应的主波束，从而证明了其波束扫描能力。由于此时的馈源为平面波，可充分模拟实际通信系统中基站来波，因此所做设计在无线通信系统中可将基站来波能量分配到所需的方向，从而实现信号覆盖功能。

3 实际测试验证

在全波仿真的基础上，可将所设计的RIS进行加工并对实物进行测试以证实其功能。所加工的RIS及其在微波暗室中的测试场景如图6所示：

图6 所设计RIS实物的（a）正面、（b）背面及其（c）在暗室中的测试场景

基于stm32的主控板经引脚扩展芯片扩展后，通过8组45p FPC软排线连接到RIS，每组软排线前36根线与单元连接，其余线接地，独立控制RIS上每个单元的PIN管偏置电压。由于暗室环境中不易模拟平面波馈源，此处采用喇叭天线作为馈源，通过控制电路改变单元状态，对所实现的不同模态涡旋波进行测试。

如图7所示为平面近场扫描所得涡旋波的幅度与相位分布，与仿真结果相比，电场的幅相分布略有恶化，主要是由高频设备实际测试时的干扰导致。同时可以看到，波束的测试结果与仿真结果基本一致，其模态纯度仍大于80%，具备较好的涡旋特性，再次证明所采用的低成本RIS可实现多种波束调控功能。

图7 （a）+1与（b）-1模态涡旋波对应的电场幅度和相位测试结果

4 结束语

面向未来6G无线通信丰富的应用场景，本文提出了结合RIS、毫米波信号覆盖、涡旋波调控三种移动通信潜在技术的硬件设计与应用。通过对RIS中可重构单元及其预相位的设计，完成PIN管加载量75%的缩减，大大降低了RIS的硬件成本。同时采用这种低成本装置实现了不同模态涡旋波调控与定向波束扫描的不同功能，最终实现了RIS的多功能与低成本目标。所提出的RIS设计方案可通过其灵活调控电磁波的能力与低成本的实用价值，为未来移动通信带来可控的无线电磁环境，尤其解决毫米波等高频段电磁波的信号覆盖问题，从而大大提升通信质量并拓宽通信场景。由于设计方法具有普适性，因此有望推广至不同频段、极化的RIS设计，从而进一步降低控制电路设计难度，以及系统能耗、复杂度与成本，为RIS实际大规模部署提供可能。同时，所做硬件设计可与一些优化算法结合，使得RIS在低成本的基础上具有更优的性能；也可与现有通信领域的通信模型、信道估计算法等结合，从而降低软件设计复杂度与相关成本，因此与已有研究具有很好的兼容性。更进一步，将所设计的低成本多功能RIS与自适应控制技术进行结合，可使得无线通信环境变得主动可控，从而实现智能设备并构建智能的无线电磁环境，为未来的智能应用打下基础。