一种用于无线通信的时域编码超表面的制作方法

本发明涉及无线通信和新型人工电磁材料技术领域，尤其是一种用于无线通信的时域编码超表面。

背景技术

电磁波在入射到具有相位梯度分布的电磁表面时，将发生异常反射，可由此在亚波长尺寸上调控电磁波的散射方向、极化方向以及波前形状。通过引入可调技术，可以设计出能够实时控制电磁波的可调超表面。传统的可调超表面由于需要连续的相位梯度分布，因此馈电网络非常复杂，而编码超表面是由有限的超表面单元组成，可以在不太影响原有超表面性能的基础上大大简化馈电网络设计难度。传统编码超表面的控制信号都是静态的，或者以非常低的频率在改变，因此还是类比于传统可重构天线阵列。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于无线通信的时域编码超表面，原理简单、成本低廉，具有很高的工程应用价值。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于无线通信的时域编码超表面，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，由控制电路提供控制信号。

优选的，基本单元包括介质基板、金属贴片、变容二极管、金属背板、馈电网络和金属馈电通孔；金属贴片和变容二极管覆盖在介质基板上表面，金属背板和馈电网络覆盖在介质基板下表面，金属馈电通孔贯穿介质基板的上下表面。

优选的，控制电路具体为：一个基于fpga的基带信号处理器，一个16位数模转换器和一个由运算放大器构成的电压放大电路；其中基于fpga的基带信号处理器生成基带数字信号并将其传给16位数模转换器；16位数模转换器则将接收的基带数字信号转换为模拟输出电压，其范围为±1v；电压放大电路接收16位数模转换器输出的模拟电压后将其放大，其放大系数为12，因此模拟输出电压范围高达±12v，绝对值范围为24v。控制电路输出的模拟电压通过馈电网络加载到变容管，可以实时改变变容管的电参数，进而控制时域编码超表面的反射系数相位。整个控制电路通过基带信号处理器、数模转换器、电压放大器将基带数字信号转换为模拟电压，加载到基本单元上的变容二极管后，实现了控制时域编码超表面反射系数相位的目的，从而建立起基带数字信号和反射系数相位之间一一对应的关系，为基带信号星座点的选取奠定基础。

优选的，控制信号是基带数字信号经过转换而成的相应的模拟控制电压，通过馈电网络加载到基本单元上的变容二极管上，改变其电参数，进而控制时域编码超表面的反射系数相位，在经过单音载波照射后，其反射波的相位会根据时域编码超表面反射系数的相位发生改变，载波的相位与基带数字信号就建立起了一一对应的关系。实现了将基带数字信号调制到载波频率上的目的，而这期间不需要使用传统通信系统的射频电路模块，如混频器、滤波器等，大大简化了传统通信系统的架构。

本发明的有益效果为：(1)本发明原理简单，只需要改变控制信号的频率，控制电压的幅度，就可以实现对反射波相位的实时调控；(2)本发明利用将多个基本单元组成阵列，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元反射系数所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；(3)与传统通信系统相比，本发明仅通过高速动态变化的控制信号即可将基带数据信号调制到载波频率上，实现了无线通信功能。本发明不需要使用传统通信系统发射机架构中的上混频、滤波以及放大电路部分，大大简化了发射机架构，可以用于构建新体制通信系统，并可以缩短设计周期，降低设计难度，减少制造成本。

附图说明

图1(a)为本发明的基本单元结构示意图。

图1(b)为本发明的基本单元反射系数幅度随控制电压变化仿真结果示意图。

图2(a)为本发明在不同控制电压下超表面反射系数的幅度与相位测试结果示意图。

图2(b)为本发明同相/正交平面上不同控制电压下超表面反射系数的幅度与相位测试结果示意图。

图3为本发明所提出的时域编码超表面的无线通信系统框图。

图4为本发明在收发两端不同距离下以及发射端传输速率不同的情况下接收端接收到的基带信号星座图。

图5为本发明用于无线通信的时域编码超表面的实验场景图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于无线通信的时域编码超表面，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，每列单元组成子阵，由控制电路提供控制信号。

本发明所提出的用于无线通信的时域编码超表面由同一种基本单元构成，并通过馈电网络将多个基本单元组成阵列，通过控制信号实现对反射波相位的实时调控，该超表面类似平面可重构反射阵结构。

本发明原理在于利用控制信号使基本单元反射系数以一定速率的形式在不同值之间高速切换，再通过建立控制信号与基带数据信号的映射关系，使得当单音载波入射超表面时，可以将基带数据信号直接调制到载波频率，实现无线通信。控制信号改变反射系数的形式可以是幅度，也可以是相位，加上不同的控制速率，可以实现对反射波幅度、频率、相位的调制。

本发明实验设计的基本单元，在不同的控制电压下，其反射系数的相位也会不同，且呈现出一一映射的关系。根据通信系统中正交相移键控(qpsk)调制的原理，每2位二进制数可以映射为一个qpsk符号，而在一个符号周期内，该符号在被调制到载波时对应载波的某一相位。qpsk的符号集共有4个符号(s0～s3)，彼此幅度相等，相位分别为135°、225°、315°、45°，分别对应二进制数00、01、11、10。在同相/正交平面上，这4个qpsk符号分别占据一个象限，其与中心原点的距离(即代表符号的幅度)相等，与同相轴(横轴)正方向的夹角代表了符号的相位，这样的表示方法又叫做星座图。例如，如需传输一字节数据00100111，需要4个qpsk符号s0s3s1s2经过4个符号周期就能传输完毕。类比于这种调制方式，本发明所设计的超表面可以通过如下方法将反射波的相位与基带数字信号建立起一一对应的关系：首先，选取4个彼此反射系数相位差满足qpsk符号要求的基本单元状态并记录其对应的控制信号电压；其次，将所选取的4个基本单元状态与2位二进制数进行映射。最终，通过将基带数字信号映射为相应的控制电压序列，再通过单音载波照射时域编码超表面，即能实现将基带信号调制到载波上并运用于无线通信中去。

本发明基本单元结构如图1(a)所示，由介质基板、覆盖在介质基板上表面的金属贴片与变容二极管、下表面的金属背板与馈电网络以及贯穿上下表面的金属馈电通孔组成。图1(a)为单元三维图。金属背板可以防止电磁波透射。控制信号通过背面的馈电网络及金属通孔加载至变容二极管两端。通过优化基本单元的周期、贴片的尺寸以及介质厚度，使得基本单元在指定频带内，幅度上满足低损耗特性并具有大的相位变化范围，结果如图1(b)所示：图1(b)上半部分为单元反射幅度随控制电压变化仿真结果图；图1(b)下半部分为单元反射相位随控制电压变化仿真结果图。在4ghz处，反射幅度在0.75以上，反射相位变化范围在280°以上。

本发明中，基本单元反射系数需要通过控制电压来改变，在选取通信所需的4个相位状态之前，需要进行控制电压v与反射相位之间映射关系的测量。当入射波f0＝4ghz正入射至时域编码超表面时，不同控制电压下超表面反射系数的幅度与相位测试结果如图2(a)所示，为了方便选择4个相位状态，通过加入初始相移并将反射系数测量结果在同相/正交平面上表示出来，结果如图2(b)所示。从图2(a)中可以看出，控制电压从0v到21v的过程中，超表面基本单元的反射幅度有大约0.44的波动，相位有超过255°的变化，与理论仿真吻合。通过转化为图2(b)的结果，从中选取4个状态作为qpsk符号，在图中可以看出4个符号分别对应控制电压0v、3.6v、6.4v、17.4v，其映射的二进制数分别为00、01、11、10，从实验结果中提取出的4个符号对应的反射系数幅度相位分别为：1e^-j(-1.23π)、0.66e^-j(-0.84π)、0.64e^-j(-0.16π)、0.89e^-j(0.18π)。

在建立完成基带数字信号与时域编码超表面控制信号的映射关系后，就需要实际建立通信系统验证本发明性能。基于本发明所提出的时域编码超表面的无线通信系统框图如图3所示，其中发射端由时域编码超表面、基带信号处理模块、控制电路模块、射频载波发生模块以及激励天线组成，接收端则由接收天线和传统超外差接收机组成。在发射端，通过基带信号处理模块生成已知的随机比特流信息，并将其以一定速率传输给控制电路模块产生相应的控制电压序列；同时，射频载波发生模块产生4ghz的载波信号，通过激励天线照射时域编码超表面。在接收端，通过接收天线接收时域编码超表面的反射波，经过解调，得到相应的二进制比特流。图4所示为在收发两端不同距离下以及发射端传输速率不同的情况下接收端接收到的基带信号星座图，其中每一行(a-c)、(d-f)、(g-i)为相同传输速率，不同传输距离下的测试结果；每一列(a-g)、(b-h)、(c-i)为相同传输距离，不同传输速率下的测试结果。从中可以看出随着通信距离的增加，星座图误差向量幅度(evm，表现为星座点的密集程度，越密集代表信号质量越好)并没有太多变化，表明基于本发明的无线通信系统具有一定的传输距离；另外，随着传输速率的增加，evm虽然有所恶化，但仍然可以分辨，说明基于本发明的无线通信系统可以进行高速数据传输。实验中经过对比收发两端的二进制比特流信息，发射端生成的基带数字信号被准确地传输到接收端并无误地解调出来，证实了基于本发明的无线通信系统的有效性。

图5所示为本发明所提出的用于无线通信的时域编码超表面的实验场景图，其中左侧为发射端，右侧为接收端，发射端时域编码超表面与接收端天线距离为2.5m。在该实验场景下，发射端基带信号处理模块将一部480p分辨率(640×480)的视频实时转换为二进制比特流代替之前生成的一直随机比特流。在接收端，接收解调后的二进制比特流重新恢复成视频信号，重现发射端发送的视频信息。经过实验验证，该系统可以在较高速率(1638.4kbps)，收发两端相距2.5m的实际室内场景下，成功实现大量数据(视频)的实时传输，体现了基于本发明的无线通信系统的稳定性。

实验结果表明，基于本发明的无线通信系统，可以有效地、稳定低在一定距离下实时传输大量数据。本发明所提出的用于无线通信的时域编码超表面具有原理简单、成本低廉，易于实现等优点，并且，基于本发明的无线通信系统大大简化了现有通信系统体制架构，这使得其在通信领域具有十分巨大的应用价值。

本发明则通过高速动态改变编码超表面的控制信号，在时间维度上提供了额外的自由度，使得在单音载波照射下，时域编码超表面的反射波会根据控制信号实时切换。再通过将基带数据信号与控制信号建立一一映射关系，从而使得基带数据信号可以直接被调至带载波频率上，实现无线通信。本发明从原理上到实验上都不再需要传统通信系统发射机架构中的上混频、滤波以及放大电路部分，大大简化了发射机架构，可以用于构建新体制通信系统，因此在通信领域具有潜在应用价值。