毫米波双频共口径携能通信超表面

队名：打完去撸铁队

参赛人员：何沛通、周桁、夏得校、马向进、朱利豪

指导老师：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）

一、主要工作内容

现有超表面面临多项局限性，如：大多数设计仅支持单频工作，限制了频谱利用效率；复杂的电路控制增加了设计难度和成本；一些超表面缺乏对每个单元的独立调控，降低了信号处理的灵活性；部分设计在带宽性能上不足，影响高频通信应用。针对这些问题，设计了一种在X波段和Ka波段工作的双频共口径智能可重构超表面。考虑到毫米波通信需求和绕射能力不足，我们将Ka频段用于室内信号补盲，提升毫米波信号覆盖能力。同时，将X波段电磁波用于近场聚焦，支持无线能量传输，构建频分携能通信系统。我们设计了包含3600个单元的大规模超表面样机，采用子阵拼接以实现快速阵列编码切换。这一工作将推动超表面的多功能和智能化发展。

图1 双频携能通信系统框图

二、毫米波双频共口径硬件结构设计

如图2所示，提出了一种共口径双频带（X和Ka）响应的1-bit RIS单元，由三个金属层和两个介质基板构成。金属层包括主谐振层、接地层和偏置层，谐振层顶部为由两个分支贴片和一个中心贴片组成的共口径贴片。在贴片连接处设计了交趾电容结构，以延长电流路径。通过控制PIN的通断状态，实现1-bit相位调控。如图3(a)和3(b)所示，当共极化波入射单元时，11.85 GHz处的反射相位分别为49.42°和-145.73°，28 GHz处为45.76°和-162.52°，每组可量化为1-bit相位。    

图2. 毫米波双频共口径携能通信超表面单元示意图。(a) 单元结构图, (b)顶层结构,(c)底层结构

图3. PIN管分别在ON和OFF状态时单元的共极化反射系数（a）X波段（b）Ka波段

基于优化设计的2-bit双极化RIS单元，提出了一款由16×14个单元组成的1-bit双频带RIS阵列，分别工作于X波段和Ka波段。如图4(b)所示，模拟了不同频带下波束30°偏转的主极化归一化方向图。结果显示，两个频带下的波束均表现出良好的偏转效果。

图4. 毫米波双频共口径携能通信超表面(a) 整体结构, (b) 30度波束调控方向图

三、整机设计及实验测试

3.1  整机设计

本项目的整机设计原理图如图5所示。超表面采用模块化拼接设计，完整阵列由多个14×16个1-bit双频单元的子阵拼接而成。每个子阵由独立的子FPGA控制板（SCB）控制PIN管的通断。为了实现动态波束扫描，需要对每个子阵的相位编码进行独立、实时调整。为此，设计了主FPGA控制板（MCB），接收来自上位机的相位编码，将其分解后发送给相应的SCB，从而控制子阵的PIN管通断，达到动态调控整个阵面相位分布的目的。为了保证相位编码传输的稳定性和准确性以及便于上位机的控制，上位机与MCB和MCB与SCB之间的通信方式均采用UART串口通信协议。

图5.  整机设计原理图

最终，我们将超表面、MCB和SCB以及直流流电源集成封装到了一个铝制钣金结构件中，实现了系统化、一体化设计。系统整机的实物示意图如图6所示。

(a)

(b)

图6.  系统整机实物示意图 (a)内部示意图, (b)完整示意图

3.2  远场波束扫描测试

为了测试本项目设计的RIS在X波段（10GHz）和Ka波段（27GHz）的波束扫描效果，我们通过PC的Matlab软件实时计算所需的相位分布编码，并自动发送给主控板。主控板再将相位编码分配给各子阵，从而实现动态波束扫描。我们设定波束扫描角度每10˚变化，从-40˚到+40˚，计算得到的相位分布编码示例如图7所示（红色代表1，蓝色代表0），并测试得到的归一化辐射方向图如图8所示。

(a)	(b)
(c)	(d)

图7  RIS的相位分布编码 (a)26GHz, 20˚扫描 (b)26GHz, 40˚扫描 (c)10GHz, 20˚扫描 (d)10GHz, 40˚扫描

图8.  .RIS波束扫描归一化辐射方向图 (a)ka波段26Hz和(b)X波段10GHz

从8(a)可见，RIS在Ka波段26GHz时展现卓越的波束扫描能力，主波束指向与目标方向的偏差不超过5°，在大角度扫描时副瓣电平保持较低，符合设计要求，显示良好方向性和稳定性。图8(b)显示，RIS在X波段10GHz时，由于电尺寸缩小，辐射能力受影响，副瓣电平上升。但RIS仍能在-30°到+40°范围内实现精准波束扫描，主波束偏差保持在5°以内，显示持续良好波束扫描能力。

3.2  远场波束扫描测试

T形楼梯口是常见的复杂反射环境，容易出现多径效应和信号盲区。因此，我们选择T形楼梯口作为测试场景，评估毫米波双频共口径超表面在Ka波段的信道补盲效果，如图9所示。首先，在楼梯口的不同位置放置信号发射和接收天线，覆盖盲区和非盲区。记录在没有超表面的情况下不同位置的信号强度和信道质量作为基准数据。然后，将反射型超表面安装在适当位置，通过上位机编程控制反射角度，优化信号覆盖。在不同位置重复测试，记录接收信号强度、信噪比和多径效应的变化。测量结果显示，经过RIS的波束调控，拐角处信噪比相比于未使用RIS时提升了6dB以上。因此，本项目设计的RIS有效提升了室内通信质量，具有良好的信道补盲效果，适用于5G毫米波通信领域。

图9.  RIS信道补盲效果测试场景

四、结语

综上所述，本工作提出了一种共口径、双频带（X和Ka）响应的RIS单元，用于调节不同频段的电磁波。阵列设计采用模块化和可拼接方式，将RIS板分割成多个子板，每个子板配置独立的控制板，最终通过主控制板统一控制，从而增强了阵列的灵活性和可拓展性。同时，我们将超表面、主控板、子控板和直流电源集成到一个铝制钣金结构中，实现系统化设计。实验中，设计的毫米波双频共口径携能通信超表面在远场波束扫描和信道补盲效果测试中表现优异，为其在无线通信和雷达系统中的应用提供了重要支持。

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团队成员简介：

	何沛通，西安电子科技大学电子科学与技术专业硕士研究生。 研究方向：紧耦合天线、智能超材料设计
	周桁，西安电子科技大学电子科学与技术专业硕士研究生。 研究方向：智能超材料设计
	夏得校，西安电子科技大学电子科学与技术专业博士研究生。 研究方向：时空编码（STC）数字超表面设计、无线感知、DOA定位、无线能量传输。
	马向进，西安电子科技大学电子科学与技术专业博士研究生。 研究方向：可编程超表面的分析和应用、可重构智能表面的设计。
	朱利豪，西安电子科技大学电子科学与技术专业博士研究生。 研究方向：波的异常反射、可重构超表面、基于超表面的信号调制和解调以及空间馈电天线。
	李龙,教授,博士生导师。 西安电子科技大学电子工程学院教授，超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室主任，国家级领军人才，爱思唯尔中国高被引学者。在国际期刊上发表论文180余篇，拥有40余项专利。 主要研究方向:智能超材料,超材料天线与微波器件,无线能量传输与收集,电磁兼容等。

–本文完–