2023超表面技術(shù)在未來基站天線中的潛在應(yīng)用

2023.7超表面技術(shù)在未來基站天線中的潛在應(yīng)用目錄2超表面技術(shù)背景超表面基站天線技術(shù)及性能超表面基站天線使用場景分析研究進(jìn)展及問題思考12342超表面技術(shù)背景——兩種形態(tài)改變相位分布賦形改變反射/透射特定頻段帶阻濾波，阻止透射偏置電壓16v11v4v0v周期性亞波長結(jié)構(gòu)的人工材料具備超常電磁反射、透射特性漫反射切換元器件狀態(tài)改變單元相位，形成智能可調(diào)的波束超材料結(jié)構(gòu)波束賦形智能超表面超材料薄膜透射減弱、反射增強(qiáng)介質(zhì)層3介質(zhì)層多bit單元反射曲線陣列相位分布普通界面智能超表面單元超材料膜單元S21曲線智能超表面技術(shù)背景——典型場景擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋屏蔽窗邊干擾改善通信質(zhì)量部署靈活低碳RIS中繼透明屏蔽膜超表面基站天線透明增透膜45智能超表面技術(shù)背景——為突破傳統(tǒng)基站天線瓶頸提供新思路傳統(tǒng)8天線面向6G超大規(guī)模天線演進(jìn)，AAU內(nèi)功放和天線單元數(shù)增多，傳統(tǒng)MIMO面臨高成本、高功耗等挑戰(zhàn)智能超表面作為全新形態(tài)的基站天線，有望減少射頻通道，實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗智能超表面+數(shù)字基帶智能超表面能夠?qū)崿F(xiàn)更緊密的陣列單元集成，提升波束指向性（可小于1/2波長，無需考慮電流耦合）Massive

MIMO目錄6超表面技術(shù)背景超表面基站天線技術(shù)及性能超表面基站天線適用場景分析研究進(jìn)展及問題思考12346超表面+少量功放替代了傳統(tǒng)通道上的大量移相器、放大器及天線陣子超表面基站天線技術(shù)— 系統(tǒng)架構(gòu)智能超表面替代相控陣架構(gòu)簡潔、低成本、高靈活度數(shù)字中頻芯片基帶芯片基帶芯片DACADC接口基帶數(shù)字 收發(fā)中頻 信機(jī)功放/低噪放7智能超表面超表面基站天線技術(shù)——饋電方式超表面基站天線

插損較高多層結(jié)構(gòu)復(fù)雜

射頻通道依舊多成本高、帶寬低業(yè)界研究較少反射式透射式當(dāng)前反射式超表面天線相對成熟，較易實(shí)現(xiàn)

波束掃描范圍大損耗相對較低相對成熟輻射式810x10=100單元，3bit量化（0°,

30°））（0°,

45°）（0°,

55°）20x20=400單元，3bit量化（0°,

30°）（0°,

45°）（0°,

55°）固定單元周期下，單元數(shù)越多，陣列口面越大，增益越高，指向性越好9超表面基站天線技術(shù)

—

波束賦形性能

vs

陣面單元數(shù)1020x20=400單元，3bit量化，未加幅度權(quán)值超表面天線對于平面波入射，與傳統(tǒng)天線陣相比，采用相同3bit量化相位，兩者方向圖近似，波束范圍±60°硬件結(jié)構(gòu)限制，目前幅度、相位聯(lián)合調(diào)控實(shí)現(xiàn)旁瓣抑制難度高。超表面基站天線技術(shù)

—

波束賦形性能

vs

傳統(tǒng)天線陣RIS（0°,

30°）天線陣

（30°）RIS（0°,

45°）天線陣

（45°）RIS （0°,

55°）天線陣

（

55°）問題與挑戰(zhàn)：超表面基站天線技術(shù)

—

天線單元硬件

vs

性能bit數(shù)111bit、2bit、3bit

...調(diào)控器件pin管、變?nèi)莨堋⒁壕?..極化單極化、雙極化......波束賦形掃描能力主要依賴于bit數(shù)，增加bit數(shù)會增加調(diào)控器件數(shù)量和成本，需平衡取舍減小單位間隔到1/4~1/2波長，提高單元數(shù)，也會提升波束指向性，但改善有限且會提升成本θt0φt012xyz1bit2bit3bit賦形精度高柵瓣存在柵瓣低柵瓣超表面基站天線

—

波束賦形與量化bit數(shù)問題與挑戰(zhàn)：高bit數(shù)需要元器件數(shù)量提升，成本隨之提升高bit數(shù)導(dǎo)致工作帶寬降低上述兩個問題有待單元結(jié)構(gòu)和器件性能的持續(xù)提升，或者挖掘新器件1bit2bit3bit對比變?nèi)莨埽▊€/單元）

11~21~2器件需求少，成本低，ns級調(diào)控pin管（個/單元）

1~23~4>5器件需求多，ns級調(diào)控液晶調(diào)控成本高，損耗高調(diào)控速率較低超表面基站天線

—

可調(diào)器件與量化bit數(shù)bit數(shù)131bit、2bit、3bit

...調(diào)控器件pin管、變?nèi)莨堋⒁壕?..問題與挑戰(zhàn)：14單元雙極化的超表面單元設(shè)計難度大E垂直極化E水平極化水平極化分量（鏡面反射）豎直極化分量（調(diào)相賦形）45°極化入射平面波單極化超表面電流僅沿豎直方向45°極化業(yè)界雙極化樣機(jī)方案：單元雙極化：設(shè)計難度大，成本高極化原理：超表面基站天線

—

雙極化實(shí)現(xiàn)棋盤拼湊：口面利用率低 雙面板：面積大雙極化需要可調(diào)器件數(shù)量翻倍，成本高問題與挑戰(zhàn)：超表面天線入射波極化方式需與面板的極化方向匹配；為保證通信極化雙流性，雙極化超表面研發(fā)具有重要意義目錄15超表面技術(shù)背景超表面基站天線技術(shù)及性能超表面基站天線適用場景分析研究進(jìn)展及問題思考123415超表面基站天線單元間距小于半波長，天線單元緊湊控制超表面單元電磁特性調(diào)相結(jié)構(gòu)簡單，每個數(shù)字通道對應(yīng)器件少量化bit導(dǎo)致波束賦形存在旁瓣雙極化和聯(lián)合幅相調(diào)控待突破無源增益較低，需要功放補(bǔ)償或增大口徑超表面基站天線系統(tǒng)架構(gòu)簡單，但bit量化不足波束賦形精度低，需繼續(xù)提升調(diào)控器件性能數(shù)?；旌喜ㄊx形，精度高雙極化（雙極化射頻通道+天線）毫米波數(shù)?；旌咸炀€天線單元間距約為半波長專用移相器件進(jìn)行調(diào)相每個數(shù)字通道對應(yīng)器件多超表面基站天線 —

架構(gòu)、性能及成本對比分析考慮到超表面基站天線帶來的系統(tǒng)鏈路簡化，隨著調(diào)控器件和大功率PA的成熟，綜合成本會逐步形成優(yōu)勢256PAvs

4PA16超表面基站天線

—適用性評估現(xiàn)網(wǎng)改造，可用于輔助增強(qiáng)，比如通感一體對空無人機(jī)覆蓋可行路線宏站特點(diǎn)：體積大、覆蓋廣、功率大、承載用戶多問題：整體性能有差距（波束賦形能力、

MIMO性能、增益等方面）傳統(tǒng)架構(gòu)天線已大規(guī)模部署當(dāng)前較難取代超表面天線用于宏站場景超表面天線用于小微站場景小微站特點(diǎn)：體積小、覆蓋小、功率小、承載用戶少超表面天線有望以較低的成本及功耗實(shí)現(xiàn)波束賦形，提高信號的覆蓋范圍和質(zhì)量具備應(yīng)用潛力，可能先試點(diǎn)應(yīng)用17目錄18超表面技術(shù)背景超表面基站天線技術(shù)及性能超表面基站天線適用場景分析研究進(jìn)展及問題思考12341819RIS

單元及相位曲線RIS陣列等效單元及相位曲線等效陣列（MATLAB-CST聯(lián)合建模生成）θi=-15.4°,θt

=50° θi=50°,θt=

-15.4°傳統(tǒng)方法：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需在電磁仿真軟件CST中對所有元件的RLC參數(shù)逐一設(shè)置，

復(fù)雜度高，建模仿真時間長θi=-15.4°,θt

=50° θi=50°,θt=

-15.4°等效方法：結(jié)構(gòu)簡單，MATLAB聯(lián)合CST可以自動快速建模，無需逐一設(shè)置可調(diào)元件RLC參數(shù)，復(fù)雜度低，建模仿真時間短仿真建模能力提升——等效陣列建模實(shí)現(xiàn)高效波束特性分析提出等效建模仿真方法，快速實(shí)現(xiàn)陣面復(fù)雜相位排布，進(jìn)行遠(yuǎn)場波束特性仿真分析，能顯著降低建模和仿真的復(fù)雜性和時間，大幅推進(jìn)超表面遠(yuǎn)場波束特性的分析效率。Y.Zhang，Y.Li,

Y.Yuan,

H.He，L.Xia,etal.,AnalysisofFar-fieldCharacteristicsofRISBased

onanEquivalentModelingandSimulationMethod,IEEEGlobecomWorkshops,2022超表面基站天線

—— 一體化樣機(jī)仿真4通道，2bit毫米波RIS天線方向圖仿真2bit毫米波超表面天線方向圖仿真，驗(yàn)證波束范圍±60°，增益20dBi；（25x25,

1/3波長）；（天線反射損耗待實(shí)測）對比：目前業(yè)界256陣子毫米波天線增益約為28—

30dBi；20四通道單通道超表面基站天線

——面板bit調(diào)控性能測試（含調(diào)幅）率先實(shí)現(xiàn)2bit毫米波調(diào)相超表面樣機(jī)加工及性能測試，技術(shù)達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平，推進(jìn)一體化超表面天線樣機(jī)系統(tǒng)平臺率先實(shí)現(xiàn)2bit調(diào)幅超表面樣機(jī)加工及性能測試，技術(shù)達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平，為幅相聯(lián)合調(diào)控、信息調(diào)制樣機(jī)奠定基礎(chǔ)調(diào)幅21超表面基站天線

—

面板波束賦形掃描測試20°2230° 40°率先實(shí)現(xiàn)毫米波2bit調(diào)相賦形暗室性能測試，賦形精度達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平50°超表面基站天線

—

毫米波2bit調(diào)相賦形系統(tǒng)性能測試率先實(shí)現(xiàn)毫米波2bit調(diào)相賦形超表面通信試驗(yàn)系統(tǒng)性能測試，結(jié)合USRP實(shí)現(xiàn)高清視頻傳輸。預(yù)計完成更大單元數(shù)，支持多流數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊惑w化超表面天線樣機(jī)。23超表面基站天線

——

技術(shù)瓶頸與挑戰(zhàn)24待解決問題：bit： 量化bit數(shù)存在瓶頸，且隨著bit數(shù)升高，成本提升；帶寬： 高bit數(shù)導(dǎo)致工作帶寬較窄，不同頻點(diǎn)波束賦形能力存在差異；器件成本：可調(diào)元器件多用于精密電路，成本高，尤其高頻段更難實(shí)現(xiàn)極化： 單元雙極化超表面設(shè)計難度大，待突破；幅相聯(lián)合：目前無法實(shí)現(xiàn)幅度、相位聯(lián)合調(diào)控，無法通過權(quán)值壓低旁瓣，待突破；饋電方式：饋電方式需要結(jié)合應(yīng)用場