在空域信号处理中，为提高阵列的空间复用能力，需要增加接收机配备的天线。然而在空间大小受限的条件下，增加天线数量将导致天线间距缩小，提高天线间的信道相关性，使得空间复用的信号流数远小于天线数量。无线信道由多径构成，深入挖掘多径差异能够进一步降低天线间的信道相关性，提高阵列能够处理的信号流数。
本文研究了基于超表面天线的空时异构阵列模型及设计方法。在无线多径信道条件下，阵列利用超表面天线具备的方向图灵活调控能力，令阵列中的天线在不同位置、不同时刻独立调控自身的方向图，提高多径信道叠加的差异性以提高阵列的有效自由度。然后，给出了基于无穷范数最小化的天线设计方案，在增强阵列的多流信号分离能力的同时，保证最大化收集期望信号的多径能量，并令非期望信号的多径叠加相消，进一步提高对每流信号的接收性能。仿真结果表明，空时异构阵列能够更加充分地利用多径，提高空间复用性能。相比于采用同构阵列的传统 MIMO，能够令误比特率降低一个数量级。同时通过搭建实验验证平台，验证了超材料天线具备多流信号分离能力。
(1) 提出一种面向无线多径的超表面可重构天线模型。在天线上超材料单元排布确定的情况下，建立超材料单元状态与方向图的对应关系。与现有天线中设计波束指向单径不同，我们以多径叠加结果为设计目标，通过改变多径叠加方式改变信道，提高有效自由度。这种可重构天线是实现阵列可重构的前提。
(2) 提出一种空间维度上的异构阵列设计方法。通过调整接收阵列中每根天线的方向图，降低每根接收天线上多径和信道之间的相关性，使阵列的有效自由度与阵列自由度相同，解决信道矩阵缺秩导致的空间复用能力下降问题。
(3) 提出一种时间维度上的异构阵列设计方法。利用超表面天线的方向图捷变能力，在单个接收符号的持续时间内快速切换方向图，使同一信号流等效经历不同信道，形成虚拟多天线，令有效自由度增加，提高信道矩阵的秩，增强阵列的空间复用能力。
仿真实验对比了采用无穷范数最小化优化接收信号的空时异构阵列(INM)，随机改变超材料单元相位接收信号的空时异构阵列(RandW)以及经典MIMO天线阵列(Isomorphic)三种阵列条件的信号接收性能。信号均衡算法分别采用了迫零算法(ZF)及最小均方误差算法(MMSE)。
从图1可以看出，相比于经典MIMO系统，INM配置与RandW配置下，阵列通过改变天线的方向图令信道的秩张开，从而降低了多流间信号的干扰，且相比之下INM能够获取更高的能量增益，因此当信噪比高于10 dB时，空时异构阵列具有更低地误比特率。
图3为基于单空馈式超表面天线的多流信号接收实验验证平台，更加直观地展示超表面天线对有效自由度的提升效果。该实验验证平台由空馈超表面天线，接收机以及发射机构成。发射机同时发送两流独立视频信号，接收机采用单超表面天线接收并分离解调，接收结果展示在图4所示的图形界面中。
图3 基于单空馈式超表面天线的多流信号接收实验验证平台
图4 信号接收效果，分别为：(a)超表面天线采用全1编码的接收信号星座图；(b)完成信道均衡后分离出的两流视频信号星座图；(c) 视频信号实时播放窗口
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http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11432-023-3788-y
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