用于微波能量中继的智能反射表面研究

作     者：张慧颖 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李红梅

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：智能反射表面 可重构智能表面 波束调控 极化复用 极化解耦 

摘      要：为了解决室内通信信号覆盖空洞的问题,提出了将智能反射表面用于无线能量中继的方案。智能反射表面作为可重构智能表面(RIS)的一类,通过对电磁波进行数字化的信息调控,实现了对入射电磁波一定程度上的反射调节能力。它能够对入射电磁波的幅度、相位、极化等电磁特性进行实时调控,使反射波束方向在一定范围内任意调节,具有了类似于无线中继的功能。本文设计的智能反射表面旨在实现1-bit相位调控能力。研究了单极化、双极化智能反射表面调控方案,提高了频谱利用率。首先设计了一种单极化1-bit调相的智能反射表面。单元选择十字型结构,通过改变单元上二极管的通断实现180°相位变化,在5.27-6.47GHz频率范围内实现了180°±20°相位带宽,相对带宽为20.4%,反射效率大于80%。将上述单元组阵验证远场波束调控能力,在-60°～60°角度范围内实现了单波束、多波束的独立调控效果。波束扫描增益单波束均大于15d B,双波束均大于7d B。分析了实际中可能出现的故障种类和故障产生的影响。为了增加极化复用的传输通道、提高频谱利用率,下面提出了一种双极化复用1-bit调相的智能反射表面。在方形单元正交方向放置两个二极管,将二极管的两端反向相连,利用同一条馈线反向控制两个二极管通断,在6.69-7.45GHz频率范围内提供了1-bit的调相能力对双线极化通道内的电磁波进行控制。根据相位折叠的互易性使两个极化通道内波束调控效果相同。在-60°～60°角度范围内,组阵验证了双极化入射时的单波束、双波束调控效果,两种情况下增益均大于10d B,交叉极化通道的隔离度均大于10d B。为了增加极化调控的自由度,接下来提出了一种双极化解耦1-bit调相的智能反射表面。分析单极化单元的调控原理后设计了双极化单元,在8.6-8.97GHz范围内对双极化入射波产生独立相位调控能力。组阵后验证在垂直极化入射和水平极化入射时实现了不同的波束调控效果。虽然反射角度和预设角度基本一致,但是出现了副瓣,因此研究了副瓣的产生原因和降低方法。最后,针对单极化智能反射表面设计了控制系统,使用K60单片机作为核心处理器,通过IO端口控制扩展电路中串并转换芯片实现并行数据输出,利用串口发送数据转换成控制电压。对加工后的单极化智能反射面进行实验测试,验证了实时动态波束调控功能。