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超构表面作为一种亚波长二维人工结构, 相比传统三维超构材料, 具有低损耗、低剖面、易集成等优势. 通过设计超构表面的单元结构及其空间序构方式, 可实现对电磁波幅度、相位、极化、波阵面的灵活调控[1–4]. 随着超构表面的发展, 许多新奇物理现象与器件应运而生, 如隐身斗篷[5,6]、平面透镜[7] 、全息成像[8,9]以及其他各种新型功能器件[10–12].
通过在超构表面中引入可调控材料或元器件, 如石墨烯、相变材料和电控二极管/变容管[13–16]等, 可以利用外部激励源动态控制超构表面的电磁响应, 实现其电磁功能的可重构. 由此, 超构表面转变为能动态调控电磁波的可重构超构表面. 在此基础上, 可进一步利用单片机控制电路或现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)控制超构表面工作状态, 通过数字硬件系统精准控制高电平和低电平信号的实时输出, 动态重构超构表面空间相位分布特性, 进而实现电磁波近远场特性的实时可编程[17]. 这类可编程超构表面提出了一种将超构表面与数字系统相结合的方法, 打破了无源结构中电磁功能固定的限制, 实现了更加灵活多变的电磁调控, 如动态微波成像[18]、可调谐波束赋形[19]和信号覆盖增强等[20–22]. 此外, 将超构表面实时调控电磁波与信息传输相结合, 利用幅度、相位等电磁波各项特性变化映射成数字信息, 可形成新型超构表面无线通信系统[23–26]. 与传统方式相比, 可重构超构表面信息直调与传输直接利用基带信号调制载波相位、幅度或频率等, 因此有望简化无线通信系统. 但是, 目前大部分具备信息调制功能的可重构超构表面均集中于微波高频段, 对处于较低频段(如L波段)的研究较少, 而这些频段也有重要应用价值, 例如卫星通信、数字广播、定位导航等.
本文提出了一种工作于L波段的1 bit宽带相位可重构电磁超构表面, 实现了对波束的动态调控. 在此基础上, 利用FPGA系统输出动态电压调制超构表面反射响应, 构建了基于该超构表面的新型无线通信系统, 实现了二进制幅移键控(binary amplitude shift keying, BASK)和二进制相移键控(binary phase shift keying, BPSK)两种调制方式.
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所设计的1 bit相位可重构超构表面的单元结构如图1所示, 由两层刻蚀金属图案的介质基板构成, 且上下介质层中心由金属细柱连接. 其中, 介质基板采用介电常数为2.2, 损耗角正切为0.001的F4B材料, 金属结构均由铜构成. 超构表面单元周期p = 44 mm, h1 = 1.5 mm, h2 = 40 mm. 单元上层表面金属图案为关于x和y轴对称的正交十字交叉结构, 十字臂上缺口处加载偏置电压调节通断的PIN二极管.
该超构表面主要通过构造具有镜像对称关系的两种转极化结构来实现180°相位差[27]. 线极化转换单元结构通常是关于结构对角线(x和y轴之间的±45°方向)对称, 由结构在x和y方向上的不对称性, 激发出交叉极化模态, 从而实现高效转极化功能. 根据这一原理, 利用对角线上的两组PIN管构造出两种超构表面工作状态: 当同一对角线上(如45°方向)两个PIN管导通时, 则另一对角线上两个PIN管断开(–45°方向). 为实现这样的切换功能, 将45°对角线的PIN管的工作状态调成一致, 而负45°的PIN管放置方向相反, 因此其导通状态也相反, 如图1左图所示. 该结构的中心通过金属细柱连接单元背面的金属馈线(图1右下), 作为加载外加偏压的一个电极. 同时, 4个PIN管的另一端通过表面的金属馈线连接, 经过2 kΩ电阻的隔离作用后, 作为另一个电极. 由此, 该结构在不同通断状态下能够形成分别沿+45°和–45°两个方向的镜像对称十字, 以激发交叉极化模态实现宽带线极化转换, 且由电场图2可以看出, 两种状态下, 单元结构的场分布镜像对称, 因此对应的交叉极化分量的反射相位相差180°.
采用CST Microwave Studio软件对该单元进行全波电磁仿真分析, 单元参数经优化后, 其余各项尺寸参数为: a = 35 mm, w1 = 9 mm, w2 = 20 mm. 当45°对角线上PIN二极管工作状态为“ON”时, 定义超构表面对应工作状态为P0, 而当–45°对角线上PIN二极管工作状态为“ON”时, 定义状态为P1. 这两种状态下的交叉极化幅度和相位随频率的变化曲线分别见图3(a), (b). 该单元结构在两种工作状态下均可以在1.17—1.66 GHz范围实现损耗小于3 dB的极化转换, 且两个状态下的反射幅度相等, 反射相位差为180°. 此时, 超构表面单元可工作于相位可重构模式.
此外, 仅控制其中任一条对角线上PIN二极管的通断状态时, 单元可在同极化反射和转极化反射进行切换, 因此在两个极化上均能实现幅度调控. 令45°对角线上PIN的工作状态为“ON”和“OFF”时, 对应超构表面的工作状态为A0和A1, 其单元结构的转极化反射幅度响应曲线如图4(a)所示. 该单元结构的相位曲线如图4(b)所示, 由于在A1状态下, 其转极化分量幅度均小于–50 dB, 因此该状态下的相位响应实际意义较小. 此时, 超构表面单元可工作于幅度可重构模式.
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假设可重构编码超构表面的反射系数为
$ \varGamma \left( {\text{t}} \right) $ , 并可表示为其中,
$ A(t) $ ,$ f(t) $ ,$ \varphi (t) $ 分别表示反射系数$ \varGamma (t) $ 的幅度、频率和相位, 其值随时间变化的函数. 当入射波的频率为$ {f_{\text{c}}} $ 时, 其经过超构表面的反射波可写为根据通信原理, (2)式中的入射波
$ {E_{\text{i}}}\left( t \right) $ 即为载波, 通过调控反射系数能够控制载波的幅度、频率以及相位, 进而实现幅度调制、频率调制和相位调制. 入射载波经过超构表面的调制后能够直接反射到自由空间中, 无需再通过额外的天线辐射. 为了构建电磁波反射系数与传输数字码元之间的映射关系, 需要将(2)式中的反射系数进行离散化. 因此, 携带传输信息的编码超构表面的反射系数可以表示为其中,
$ {\varGamma _{\text{m}}}\left( t \right) $ 是信息码元映射成的复反射系数,$ g\left( t \right) $ 为基本脉冲成形函数, T为码元周期, M则是一组星座点, 其基数为card(M). 每个消息符号的$ {\varGamma _{\text{m}}}\left( t \right) $ 被映射为一个log2card(M)位数字信息. 在一个n bit调制方案中(n为整数, 且n ≥ 1), card(M)等于2n. 不同调制方式下, 超构表面需要根据作为调制信号的时间序列中的码元变化, 将其映射为反射波中电磁特性的变化. 在1 bit相位调制方案中, 超构表面将数字码元的变化转化为反射系数的相位变化, 即其中,
$ {\varphi _0} $ 和$ {\varphi _1} $ 分别为0 bit和1 bit的相位映射. 在1 bit幅度调制方案中, 超构表面将数字码元的变化转化为反射系数的幅度变化, 即其中,
$ {A_0} $ 和$ {A_1} $ 分别为0 bit和1 bit的幅度映射. -
我们进一步利用单元结构形成了10
$ \times $ 10的超构表面, 并进行波束调控的仿真分析. 转极化散射方向图如图5所示, 根据广义斯涅尔定律[12] , 采用不同的编码相位分布, 即可实现不同角度的波束偏转:式中,
$ {\theta _{\text{r}}} $ 和$ {\theta _{\text{i}}} $ 分别为入射角和反射角,$ {\lambda _0} $ 为自由空间波长,$ {n_{\text{i}}} $ 为入射波介质折射率,$ {\text{d}}\varphi /{\text{d}}x $ 为沿目标方向上的相位变化. 编码相位图案中的不同颜色分别代表单元的“0”和“1”两种编码状态. 在平面波入射条件下, 当每列的单元相位一致, 且编码相位关于中心对称或互补, 可使反射波为对称双波束. 图5(a), (b)中为双波束的仿真分析与实验测试结果, 其主波束方向分别为$ \pm $ 20.5°和$ \pm $ 28.4°, 在后续的实验过程中, 也将利用此编码相位, 进行信息调制. 采用棋盘格式的空间相位分布, 可进一步实现如图5(c)的四波束, 此时波束位于方位角(xoy平面内与x正半轴夹角)为$ \varphi =\pm $ 45°的平面内, 主波束的方向均为$ \pm $ 30.8°. 当波束的散射角度较大时(如60°), 转极化的主波束幅值减小而同极化增大. 可通过减小超构表面单元尺寸、改善其斜入射性能来提升大角度的波束性能. -
首先, 在弓形架系统下测试了超构表面的基本动态调制速率, 如图6和图 7所示. 收发天线均安装在弓形滑轨上, 地面放置了吸波材料, 用于减少环境的杂散波, 是较为理想的测试环境. 射频信号发生器输出正弦波信号, 作为载波信号, 经由发射端喇叭天线辐射并照射至超构表面. 与此同时, 可重构超构表面依据调制信号发生器所输出的电压信号, 动态地调整其编码相位分布, 进而将调制信号加载至入射的载波上, 并将已调制的信号反射至接收端的天线. 在信号接收端, 弓形架系统可改变接收端天线位置, 以便接收来自不同角度的反射波. 同时, 接收天线与射频高速示波器相连, 使得已调信号能够直接被捕获和分析. 调制信号发生器(Rigol DG992)输出占空比(高电平占空比)为50%的方波信号, 高、低电平分别为1 V, 0 V时, 对应于超构表面A0, A1工作状态, 超构表面进行BASK调制; 当高、低电平分别为1 V, –1 V时, 对应于超构表面P0, P1工作状态, 超构表面进行BPSK调制. 实验采用射频高速示波器的采样频率为80 GHz, 远大于接收信号最大频率, 满足奈奎斯特采样条件.
图8(a), (b)为1.3 GHz入射波情况下, BASK调制方式下的已调信号和对信号解调后得到的基带信号. 此时, 超构表面所有单元均工作于同一状态, 镜面反射入射波的同时对其调制信号. 可以观察, 在5 μs时间内已调信号有多个包络变化(0.5 MHz对应2.5个包络变化, 2 MHz对应10个包络变化), 这是由于超构表面在加载调制信号后, 使反射波在高反射和低反射状态下快速切换. 解调后得到方波基带信号, 其变化规律也与其对应的调制速率相符. 图8(c), (d)为BPSK调制下相应的信号波形图, 采用了图5(a)的编码相位分布, 实现28.4°波束偏折. BPSK调制方式下无法直接从已调信号观察相位变化, 但解调方波信号的幅值在
$ \pm $ 1跳变, 表明信号在正反相之间切换, 验证了采用BPSK调制的可行性. 测试结果表明, 在0.5—2 MHz的调制速率下, 经过两种方式调制的信号均能在解调后还原信号, 也验证了超构表面能实现波束调控和信息调制的同步进行, 但随着调制速率的增大, 接收信号会发生些许畸变, 可以通过采用高性能的二极管和提升馈电系统来改善这一情况.为测试超构表面在两种调制方式下的信息传输能力, 我们在真实环境下搭建了超构表面无线通信系统. 该系统工作原理及现场测试图如图9所示, 由超构表面、收发天线、射频信号源、FPGA、通用软件无线点外设(universal software radio peripheral, USRP)及终端设备组成. 测试过程中, 将一张大小220×150像素的图片以0 bit和1 bit序列的形式表示, 并将其对应为超构表面的工作状态序列用于传输信息. 随后, 利用FPGA根据超构表面工作状态序列, 实时输出高低电平调制照射至超构表面的载波信号. 载波信号经过超构表面的调制与反射, 转为已调信号被天线接收, 由USRP完成信号的解调并传输至终端设备完成图片的还原.
两种调制方式下, 收发天线与超构表面的距离均为2.4 m, 调制信号码元速率为1 Mbps (1 Mbps = 0.125 MB/s). 观察两种调制方式的接收星座图, 图10(a)中解调得到的基带信号对应星座点主要分布在坐标轴上原点和同相分量为1处附近, 分别代表“0”, “1”码元信号, 符合BASK调制下星座点的分布规律, 说明接收信号中不同码元在幅度上的差异较大. 图10(b)中解调得到的基带信号对应星座点主要分布在坐标轴上同相分量为
$ \pm $ 1处附近, 分别代表“0”, “1”码元信号, 符合BPSK调制下星座点的分布规律, 说明接收信号中不同码元在相位上的差异较大. 两种调制方式中, 不同码元信号在星座图上分布的距离较远, 星座点分布较为紧密, 表明系统具备抗噪能力, 在降低误码率的同时, 也保证了一定的通信质量. 对比还原图片(图10插图)和原图, 可以发现两种调制方式下的信号都得到了较好还原. 由于在传输信道中存在噪声, 会使得解调后信号的幅相存在偏差, 因此还原后的图片上存在少许噪点. 为减少接收端信号的幅相误差, 可增大发射功率, 从而提升信噪比; 也可引入信道编码, 如卷积码、低密度奇偶校验(low-density parity-check, LDPC)码等[28,29], 提升系统纠错能力, 进而增加信息传输的可靠性. -
本文基于PIN二极管电可调的方式设计了一种L波段的可重构超构表面, 并将其应用于超构表面信息直接调制中. 具体地, 该超构表面利用单元的结构特征, 根据二极管组合的工作状态, 可动态切换其转极化分量的反射相位和反射幅度, 实现1 bit相位或幅度的动态可调. 由此, 实现了L波段的动态多波束调控. 在此基础上, 利用超构表面实现了L波段的BASK和BPSK两种调制方式的信息直接调制, 且信息传输效果较好. 该超构表面有望拓宽可重构超构表面的应用范围, 也有望为超构表面在卫星通信、保密通信等领域的应用提供支持.
可重构超构表面实现L波段波束动态调控及信息调制
Reconfigurable metasurface achieved dynamic beam control and information modulation of L-band beams
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摘要: 本文提出一种工作在L波段的宽带可重构转极化超构表面设计方法, 并实现了二进制幅移键控(binary amplitude shift keying, BASK)和二进制相移键控(binary phase shift keying, BPSK)两种调制方式的超构表面信息直接调制. 通过控制超构表面单元结构上的开关二极管通断状态, 可在1.17—1.66 GHz频段改变单元的转极化反射幅值和相位, 并通过对其幅相分布特性的实时编码实现波束调控与信息调制. 在此基础上, 构建了基于BASK和BPSK两种调制方式的超构表面新型无线通信系统, 实现了对数字信息的实时调制与传输. 本文提出的超构表面及其设计方法有望在信息传输、卫星通信等应用中发挥作用.Abstract: In this paper, a method of designing broadband reconfigurable polarization-converting metasurface operating in L-band is proposed. This method can also be used to directly modulate the information by using two modulation modes: binary amplitude shift keying (BASK) and binary phase shift keying (BPSK). Switching the ON/OFF state of PIN diode can be used to modify the amplitude and phase responses of the cross-polarized reflection of the element in a frequency band of 1.17–1.66 GHz, thereby creating a 1-bit digital coding meta-atom. By changing the real-time coding patterns of amplitude and phase, the reconfigurable metasurface can control beams and information modulation. Simulation results show that by changing the coding patterns of the metasurface, twin-beams and four-beams with different reflection angles can be obtained which fully validates the control ability of dynamic far-field beam. As an experimental verification, a reconfigurable metasurface consisting of 10×10 meta-atoms is fabricated, and its beam control and information modulation functions are tested. The far-field patterns of the metasurface with different coding phase distributions are measured. Furthermore, modulation signals of varying high/low voltage levels and rates are loaded onto the metasurface, in order to control its modulation mode and rate. The modulated signals reflected from metasurface are captured by a high-speed radio-frequency (RF) oscilloscope at varying rates and reflection angles, and then demodulated so as to recover the original information. On this basis, a metasurface wireless communication system based on BASK and BPSK is constructed to transmit digital image information in a real-world environment. In the experiment, the image is first represented by a sequence of 0 bit and 1 bit, corresponding to the operational state sequence of the metasurface used for transmitting information. The field programmable gate array (FPGA) is then used to generate signals with high and low voltage levels in real time according to the sequence of working states of the metasurface, and to modulate the carrier signal irradiated onto the metasurface. Therefore, the signal is converted into a modulated signal and received by the antenna. Finally, the signal is demodulated by the universal software radio peripheral (USRP) and transmitted to the terminal equipment, yielding the constellation diagrams and enabling the recovering of the images. The image information recovered under both modulation schemes verifies that the system can achieve real-time modulation and transmission of digital information. The proposed metasurface and the design method may be used in many fields, such as satellite communications and digital broadcasting.
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Key words:
- reconfigurable metasurface /
- L-band /
- amplitude modulation /
- phase modulation .
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图 2 两种工作状态下对应的单元电场分布, 其中“
$ + $ ”和“$ - $ ”分别代表导通二极管的正负极Figure 2. Electric field distributions of the metasurface element with two different working states, the “
$ + $ ” and “$ - $ ” note the positive and negative terminals of the conducting diodes.
图 3 相位可重构模式下, 超构表面单元的幅度和相位响应 (a) P0 和P1状态的幅度响应; (b) P0和P1状态的相位响应
Figure 3. Amplitude and phase responses of the element operating at phase-reconfigurable mode: (a) Amplitude response of states P0 and P1; (b) phase response of states P0 and P1.
图 4 幅度可重构模式下, 超构表面单元的幅度和相位响应 (a) A0 和A1状态的幅度响应; (b) A0 和A1状态的相位响应
Figure 4. Amplitude and phase responses of the element operating at amplitude-reconfigurable mode: (a) Amplitude response of states A0 and A1; (b) phase response of states A0 and A1.
图 5 波束调控仿真分析结果图, 左侧图为相位编码及其三维散射方向图, 右侧图为波束切面的二维方向图 (a) 20.5°对称双波束; (b) 28.4°对称双波束; (c) 30.8°对称四波束
Figure 5. Simulation results of the beams control, left panels show the phase coding pattern on the metasurface and the 3D scattering pattern, while the right panels show the 2D scattering pattern of the beam: (a) Twin-beam with titling angle of 20.5°; (b) twin-beam with titling angle of 28.4°; (c) four beams with titling angle 30.8°.
图 7 超构表面样品与弓形架测试系统
Figure 7. Prototype of metasurface and the arched measurement system.
图 8 BASK调制下对应的(a)已调信号和(b)解调信号; 28.4°偏转角度下BPSK调制对应的(c)已调信号和(d)解调信号
Figure 8. (a) Modulated signal and (b) demodulated signal of BASK; (c) modulated signal and (d) demodulated signal of BPSK at 28.4° receiving angle.
图 9 超构表面无线通信示意图及现场测试图
Figure 9. Schematic of metasurface wireless communication and the measurement environment.
图 10 (a) BASK解调星座图及还原图片; (b) BPSK解调星座图及还原图片
Figure 10. (a) BASK constellation diagram and the recovered image; (b) BPSK constellation diagram and the recovered image.
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