太赫茲智能可重構超表面

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

(1.電子科技大學 電子科學與工程學院，四川 成都 611731；2.電子科技大學 長三角研究院(湖州)，浙江 湖州 313001；3.電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都 611731)

0 引言

超表面是物理和信息領域的研究熱點之一，但是傳統的超表面一旦制備出來，其功能即被固定化，無法根據不同的環境需求實時調控電磁波，以實現不同的功能。從20世紀90年代人工微結構超表面到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、數字化可編程等主動方式演變，可稱之為智能可重構表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)。RIS是Massive MIMO的一個演進，只反射或折射入射信號，不需要具備射頻鏈路，避免了硬件復雜度和功耗的問題，可以進一步提升多天線規模，獲得更高的波束賦形增益[3-6]。到目前為止，已經出現了大量基于PIN二極管和變容二極管的可重構超表面，編碼形式已逐漸從可編程相位擴展到可編程振幅和極化[7-13]。基于前面很多學者的工作基礎上，本文研究了一種太赫茲智能可重構超表面，通過對波束的動態調控，可以實現波束掃描、波束卷積和RCS縮減等功能。本研究為RIS的進一步發展奠定了基礎，通過構建智能可控無線環境，將有機會增強5G-Advanced網絡，并為6G帶來一種全新的通信網絡范式。

1 超表面單元設計

本文提出的太赫茲智能可重構超表面是基于開關二極管構建的編碼陣列，單元結構如圖1所示。

圖1 單元結構圖Fig.1 Unit structure diagram

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

通過使用三維電磁場仿真軟件(CST)進行單元的頻域仿真，設置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，當超表面單元上的二極管導通和斷開時在頻率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通和斷開在115～130 GHz 產生了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

當二極管導通時相當于電阻和電感串聯，二極管斷開時相當于電阻、電容和電感串聯。可重構編碼超表面由于其單個超表面單元的狀態可以被二進制數字控制，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

2.1 波束掃描

根據相移梯度調控實現波束掃描的原理，為了產生不同角度的波束，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，通過控制單元結構上二極管的通和斷，可以控制電磁波相位實現不同角度的反射。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只取整數值，這種粗糙的離散方法使得反射波束的角度無法連續變化，在相鄰波束切換的兩個角度之間存在一個盲區，即一個無法控制波束向其輻射的區域。本文提出采用分數化編碼方法[14]實現在高精度分數化取值下匹配對應的編碼序列，Nx以0.5為步長達到對相移梯度的高精細離散，以實現波束的連續性靈活控制。仿真結果證明編碼超表面可以實現±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

為了進一步驗證超表面單元的多波束重構能力，通過卷積定理[15]將兩種不同功能的編碼序列疊加實現波束角度的偏移。

卷積定理為：

(1)

將此定理應用到遠場散射模式：

E(sinθ-sinθ0)。

(2)

卷積后的遠場波束角度計算公式：

(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Nx=4時，對應的x梯度編碼11110000……用Snell公式的驗證計算結果為：θ=11.7°，φ=0°，當Ny=8時，對應的y梯度編碼111111110000000……用Snell公式的驗證計算結果為：θ=5.8°，φ=90°。將上述兩種編碼進行卷積運算，對應卷積后的編碼波束角度用公式(3)計算，結果為：θ=12.6°，φ=26.4°。圖4(a)為Nx=4和Ny=8時的二維遠場波束圖，圖4(b)為卷積后的二維遠場波束圖，仿真與計算結果相符合。

當Ny=16時，對應的y梯度編碼為11111111111111110000000000000000，用Snell公式的驗證計算結果為：θ=2.9°，φ=90°。將Nx=4與Ny=16兩種編碼進行卷積運算，對應卷積后的編碼波束角度用式(3)計算，結果為：θ=12°，φ=14°。如圖4(c)所示，為Nx=4和Ny=16時的二維遠場波束圖；圖4(d)為卷積后的二維遠場波束圖。從這兩種卷積編碼可以發現，波束發生偏移并且產生了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。仿真結果表明通過卷積原理可以實現任意波束的搬移。

(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

雷達散射截面(RCS)是測量目標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。根據能量守恒定理，每個波束的散射能量將會很低，從而實現RCS縮減。根據GRS優化編碼[16]，使超表面陣列產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，這意味著在單穩態和雙穩態的超表面RCS的相當大的減少。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中進行仿真，得到的三維遠場方向圖如圖5(b)所示，可以看到反射波束被散射到了各個方向，但是中間有較強的鏡面反射。為了優化編碼的空間安排，根據卷積定理對P型編碼和棋盤式編碼進行卷積，得到了一種新的卷積優化編碼，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構在CST中進行仿真，仿真的三維遠場波束如圖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，更好地實現了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) 三維遠場圖圖5 P型編碼陣列和三維遠場圖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+棋盤編碼三維遠場圖Fig.7 P + checkerboard coding 3D far-field diagram

(a) 不同角度RCS對比

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

3 結論

本文主要研究了一種太赫茲智能可重構超表面，為了驗證超表面單元的多功能波束可重構能力，超表面單元根據不同的編碼序列進行排列，實現了波束掃描、波束卷積和RCS縮減等功能。仿真結果證明，編碼超表面單元可以在太赫茲頻段實現±24°的波束掃描；可以把兩個不同編碼序列進行卷積，實現波束的搬移；通過優化編碼序列，可以實現在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展提供技術基礎，在未來6G太赫茲通信領域有重要的應用前景。