低功耗高性能可重构智能超表面系统*

吴建军，尹卫爽，窦建武，毛胤电

（1.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057；2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518057）

0 引言

超表面是由周期或非周期性排列的单元结构组成的超薄人工表面，可以具备超越自然材料的一些参数特性[1-2]。其基本单元通常具有亚波长尺寸，通过精心设计其形状、尺寸、方向及排列方式，能够操纵电磁场和电磁波与物质的相互作用，从而以前所未有的方式精确控制电磁波的传播、散射和反射[3]。十几年来，超表面凭借其轻薄、低损耗、易加工等特点实现了完美吸波器、超透镜、全息图等新奇的物理现象和器件[4-6]。

随着无线通信、射频识别、雷达系统和无线电能传输等领域的快速发展，对电磁波的实时精确控制需求不断增加[7-9]。传统的反射和折射介质虽然在一定程度上可以实现电磁波的控制，但其设计完成后便丧失了可调节性，效率和灵活性不足。而可重构智能超表面（RIS,Reconfigurable Intelligent Surfaces）通过在超表面中引入可调器件，与数字芯片结合可以在纳秒级的范围内快速控制超表面上可调器件的状态从而改变超表面的电磁特征，从而极大地提升了传统超表面的灵活性与调节效率[10-15]。

RIS 所使用的可调器件对其性能至关重要。目前，主要用于RIS 的器件包括变容管、MEMS 开关、液晶、石墨烯、磁性材料和PIN 管等[16-22]。变容管、液晶、石墨烯和磁性开关为连续调节器件，能够连续地控制RIS 单元的状态，但四者的插损均较大，磁性开关成本高、液晶加工工艺复杂，石墨烯工程应用挑战极大，均只有小范围的报道。MEMS 开关和PIN 管为离散调节器件，一般只有开和关两个状态，与连续可调器件相比，其具有插损小和功耗低的优点，但MEMS 开关所需控制电压较高、响应时间较长，而PIN 管的功耗相对也较高。

RIS 使用连续可调器件构造多比特单元时，需要高精度的DAC 配合使用，控制电路很复杂；而在使用离散器件时，根据比特数的不同，需要多个器件配合使用，会使得实现复杂，插损变大[23-26]。与单比特RIS 相比，多比特所获得的量化增益减小的收益会被系统额外增加的插损消耗掉。RIS 的极化数也是一个核心问题，单极化实现简单，但是会存在极强的镜像分量；双极化能够有效抑制镜像能量的产生，但是会使可调器件数量和控制芯片数量翻倍，且双极化在设计不佳时会存在严重的极化串扰问题使性能恶化[14,18]。

针对上述问题，本文提出了一种基于CMOS 开关的单比特双极化RIS。硅基CMOS 开关具有功耗低、成本低、插损适中的优点。通过在超表面单元中采用CMOS开关作为可调器件，成功解决了传统连续可调器件控制复杂插损大与离散器件功耗高的缺点。本超表面采用总分总的控制方案，在保持极化间高隔离度的同时实现双极化同步控制，有效减少了数字控制器件的数量。另外本超表面通过引入双层拉远交直流隔离技术，有效地解决了交直流之间的串扰问题，配合一体分离的控制方案，可以将偏压控制点放置在辐射单元的任意位置；通过在单元周围加载基片集成腔体以及在腔体中加载短路抑制柱的方式有效抑制了表面波，极大地提升了扫描角度。

1 超表面单元设计

超表面单元主要包括可调器件和单元电磁结构设计，下面将分别对本超比面单元所选用的CMOS 开关和单比特双极化的电磁结构设计做详细的介绍。

1.1 CMOS开关

毫米波RIS 使用时需要可调器件数量在万的量级，为了实现瓦级的整机功耗，要求器件的功耗要达到μW 级别，目前业界能够满足该要求的可调器件为基于CMOS工艺的单刀单掷开关，该器件为电压控制，其电流极小从而实现极低功耗。本文中RIS 应用的CMOS 开关产品采用表面贴装工艺，寄生参数小，专门适用于毫米波智能反射面设计。为进一步降低系统布线复杂度，减小布板空间，采用0201 封装。CMOS 开关通过外部电压控制实现导通和截止，其理想模型为导通态等效为电阻，截止态等效为电容，如图1 所示为开关的应用示意图，其为一个二端口的器件，射频和控制共用端口，通过加载电感进行隔离，其静态功耗仅有几十微瓦，非常适合大规模集成。

图1 CMOS开关的应用示意图

器件等效模型对RIS 单元的设计非常重要，准确的模型能够降低仿真与实测之间的差异，提高设计效率。由于测量夹具的存在，常规的SOLT 校准不能完全去除夹具的影响，因此可以采用TRL 校准，设计与夹具相适配的校准件，从而去除夹具的影响，准确测量器件本身的性能。TRL 校准所需的校准件如图2 所示，通过测量直通，反射以及延时就可以将校准端面从SMA 接头处移动到器件处。由于实际器件的模型比较复杂，需要根据TRL 校准后的器件测试数据进行拟合。

图2 CMOS开关参数提取TRL测试电路

通过对器件的测量数据与拟合数据进行对比，可以得到器件的实际等效模型，将等效模型带入仿真软件就可以进行RIS 的仿真设计。仿真测试结果表明本CMOS开关在20～35 GHz 范围内，开关导通电阻Ron 优于4.7 Ω，关断寄生电容Coff 保持为25 fF。可在20 dBm 的射频功率下连续波工作，输入三阶截点优于30 dBm。

1.2 基于CMOS开关的超表面单元设计

单比特双极化可重构超表面的结构如图3 所示，单元射频部分总共由六层结构组成，分别为第一层辐射贴片、第二层射频地、第三层矩形隔离层、第四层扇形隔离层、第五层控制走线层与第六层地共六层结构组成，可调器件集成在第一层辐射贴片上。控制线通过两个盲孔引导到第四层合并拉远后通过通孔连接到控制芯片上。

图3 超表面单元结构示意图：（a）为单元透视图；（b）为单元横截面图；（c）为单元爆炸图

如图3（c）所示，超表面单元采用一体分离控制技术，具体为总分总的控制路径，双极化的两个可调开关通过辐射振子后分为两个偏压控制通道，经过反射地板和隔离模块之后再合并为一条控制通路，本超表面单元在不增加可调器件的情况下有效地解决了极化串扰的问题。另外在单元中引入双层拉远交直流隔离技术，即引入双层滤波枝节并将偏压线在滤波枝节后拉远再通过通孔连接到控制电路上，可以有效地解决交直流之间的串扰问题，同时配合一体分离的控制方案，可以将偏压控制点放置在辐射单元的任意位置。通过在单元周围加载基片集成腔体以及在腔体中加载短路抑制柱的方式有效抑制了表面波，极大地提升了扫描角度。最后本超表面通过控制加载其上的可调开关来改变超表面单元的模式从而改变其电磁响应。

从图4 为超表面单元仿真性能曲线，其中（a）为开和关状态下单元反射插损图，可知两种状态的平均插损在1 dB 以内，最大插损也优于1.2 dB；（b）为开和关状态下单元隔离度曲线，关和开状态的隔离度在15 dB 以内，极化隔离特性良好；（c）为开和关状态下单元反射的相位；（d）为开和关状态下的相位差，由（c）和（d）可知超表明在工作带宽内相差在180±35°以内。综上可知本超表面单元电性能良好，在26—28 GHz 的范围内开和关两个状态性能稳定，隔离度高，在相位误差允许的情况下，本超表面单元可以工作在更宽的带宽下。

图4 （a）RIS单元开和关状态下的反射插损；（b）开和关状态下的隔离度；（c）开和关状态下的反射相位；（d）开和关状态下反射相位的差值

2 系统整机

如图5 所示为本超表面整机外观示意图，本超表面系统采用一体化设计方案，简洁轻薄。如图6 所示为超表面系统的部件爆炸示意图，整机由天线罩、RIS 天线阵面、阵面控制板、汇流板，主控板屏蔽盖、主控板和机壳组成。该超表面系统由4 块RIS 天线阵面拼接而成，4块RIS 天线阵面的控制板通过插座连接汇流到汇流板上；主控模块中装配主控板和屏蔽盖，最后两者用大容差的插座实现整机和主控模块之间盲插互联装配。

图5 超表面整机外观示意图

图6 超表面系统爆炸示意图

整机采取这种简洁轻薄的一体化设计方案，主要有以下几方面的优势：

（1）RIS 天线阵面和主控模块结构一体化设计、整机轻薄、可靠性强，能够应对更加丰富的商用场景；

（2）RIS 天线阵面采用基本单元设计，实际商用过程中可以根据场景增益的要求进行各种拼接组合使用，图6 中为4 块拼接；

（3）对外接口的极简化设计。

1）RIS 反射阵子与动态协同天线集成设计，减少对外接口数量；

2）对外采用集成化的连接器：集成供电以及网口功能，实现接口的归一化设计；

3）RIS 采用软同步方案，使用商用站点下行同步功能，自动对基站的主辅同步序列进行盲搜解析，获取系统帧头，因此整机不需要连接GPS，减少对外接口数量的同时其外场应用场景大大扩展，例如可以应用到深坑、煤矿等特殊场景。

3 测试结果

3.1 暗室测试结果

超表面系统首先在暗室中进行了测试，如图7 所示，为暗室测试RIS 增益的配置示意图，馈电喇叭发射的电磁波经RIS 反射后被接收探头接收，馈电喇叭的中心指向RIS 的中心O，与水平线的夹角为θ1，与RIS 在水平方向的距离为g，与RIS 的高度差为h。本次测试在平面近场中进行，接收探头固定在扫描支架上，RIS 与接收探头的距离为50 cm，扫场范围为正负100 cm，共测试了水平面扫描的四个角度0°、15°、30°、45°，如图8 所示为测试结果，可见方向图波束形态清晰，副瓣电平低并随远离主瓣而下降，指向精度在0.5°以内，相对扫描角度均符合15°的预期，证明本超表面系统性能良好。

图7 RIS暗室测试配置图

图8 超表面系统暗室波束扫描测试结果

3.2 外场测试结果

为了验证6G 智能超表面原型样机的各项性能，特别进行了一系列室外性能测试。具体分两类：

（1）智能超表面的覆盖性能；

（2）智能超表面波束的跟踪性能。

具体测试过程和测试结果如下文。

（1）智能超表面的覆盖性能

本项目测试终端处于基站NLOS 环境下，智能超表面覆盖下终端拉远的极限距离，包括波束宽度方向（切向）的角度范围和波束指向方向（径向）的拉远距离。由此拉测出RIS 大概的覆盖范围和覆盖范围内性能。单用户覆盖性能测试拓扑如图9 所示，选择RIS 覆盖区域广阔的场景，使用一部测试终端，布置好RIS 设备和终端设备，移动路线选择RIS 覆盖区域切向路径A 和径向路径B 进行路测。

图9 单用户覆盖性能测试拓扑图

切向，通过测试最左侧波束和最右侧波束，夹角约120°，实现约±60°的覆盖；径向实现300 m 左右覆盖，覆盖数据如表1 所示。由表1 中数据可知，终端在距离超表面30 m 左右的范围内，RSRP 能够提升30 dB，流量够达到满流；在30～180 m 的范围内，RSRP 提升在10～30 dB，实现高流量，约为峰值流量一半以上；在180～300 m 的范围内，RSRP 提升0～10 dB，可实现中等流量，约为峰值流量的四分之一左右。

表1 超表面径向覆盖性能数据

（2）智能超表面波束的跟踪性能

本项目测试终端处于基站NLOS 环境下，智能超表面波束对随机轨迹移动状态用户的动态跟踪性能。智能超标面动态波束跟踪用户测试拓扑如图10 所示，选择RIS 覆盖区域广阔的场景，使用一部测试终端，布置好RIS 设备和终端设备，按图10 所示路线随机移动记录路测数据。在RIS 覆盖区域不断移动，平均RSRP 为-75 dBm，平均流量95%峰值流量。

图10 智能超标面动态波束跟踪用户测试拓扑图

4 结束语

本文呈现了一种基于CMOS 开关的单比特双极化可重构智能超表面（RIS）。超表面单元的相位差在26～28 GHz的范围内都能保持180±35 度的相差，开和关状态的插损均值在1 dB 以内；暗室测试结果表明超表面系统在±60°的扫描范围内均工作良好，波束形态清晰，旁瓣低于15 dB；外场测试结果显示该超表面系统在单用户覆盖和用户跟踪上性能良好，能够满足外场的各种使用需求。

本超表面系统的功耗在瓦量级，增益在25 dB 以上，能够在保证双极化隔离的情况下实现双极化电磁波的同时控制，可以满足毫米波在宏覆盖和热点覆盖下与基站配合进行补盲补弱和用户追踪的需求。后续将持续研发更低功耗、更高性能和更低成本的可重构超表面系统，主要包括开发控制芯片以降功耗和控制复杂度、开发更高比特的超表面单元以降低量化赋形损失和开发更廉价的可调器件降低成本。