实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面制造技术

本发明专利技术公开了一种实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，整体电磁特性通过由控制电路生成的控制信号实时改变。本发明专利技术原理简单，通过改变控制信号的频率与波形，就可以改变电磁波能量转换的频率、幅度与相位；利用基本单元组成阵列，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元电磁特性所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；仅通过高速动态变化的控制信号即可将基带数据信号调制到特定载波频率上，实现无线通信；仅利用相位可调的基本单元就获得了精确调控特定载波频率幅度/相位的能力，可以根据不同调制方案的需求生成符合协议标准分布的星座图。

Time domain coding hypersurface for wireless communication with multiple modulation schemes

【技术实现步骤摘要】
实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面
本专利技术涉及无线通信和新型人工电磁材料
，尤其是一种实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面。
技术介绍
新型人工电磁表面，又名超表面，可通过设计其单元特性以及空间排布，控制电磁波的幅度、相位、极化、波束、轨道角动量等参数，实现电磁能量的偏折、聚焦、吸波等功能，可用于天线、成像等领域。通过引入可调技术，可以设计出能够实时控制电磁波各参数的可调超表面。传统可调超表面的控制信号都是静态的，或者以非常低的频率在改变，因此是一个线性器件，可类比于传统可重构天线阵列。基于直接调制技术的通信系统是利用可调技术对电磁波实时操控的能力，建立基带数据与电磁波参量(如幅度、相位、极化等)之间的映射关系，实现基带到载波的直接调制与发射，完成无线通信。但该技术通常只能对电磁波某一特定参量进行调控，因此无法实现包括16QAM在内的高阶调制方案。此外，由于可调元件的固有缺陷，直接调制技术实现的星座图与标准协议所规定的有一定差别，造成了解调端的额外压力。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，能够实现多种调制方案下的无线通信。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，整体电磁特性通过由控制电路生成的控制信号实时改变。优选的，基本单元为三层结构，第一层为基本单元上表面，包括特定的金属图案、变容二极管、贴片电容与馈电网络，其中变容二极管与贴片电容分别跨接在不同的金属图案之间，馈电网络则连接在金属图案的一侧用于加载控制信号至变容二极管两端；第二层为介质基板层，用于支撑整个超表面；第三层为金属背板；在第一层与第三层之间有多排金属通孔相连。优选的，控制电路生成的模拟电压，通过馈电网络加载至基本单元上的变容二极管两端，改变其等效电容，进而改变单元的电磁特性，具体为在指定的频点上，电磁波后向反射相位变化超过2.5π，反射幅度波动小于3.5dB。优选的，控制电路具体组成为：一个以FPGA为核心的基带信号处理器，一个16位数模转换器和一个由运算放大器构成的放大电路；其中基带信号处理器生成基带数字信号并通过16位数模转换器转换为模拟输出电压，后经放大电路放大为所需的控制信号，整个控制电路的输出电压范围为0V～24V。优选的，当时域编码超表面经电磁波照射时，设计不同的控制信号使电磁波相位在一定范围内连续线性变化，进而将电磁波能量高效率地、任意比例地转换至某一特定频率，从而实现对该频率电磁波的幅度调控；同时通过不同的信号时延对电磁波某一特定频率的相位进行任意操控，从而实现对该频率电磁波的相位调控；结合幅度调控与相位调控方式，即不同的相位变化范围与时延组成控制信号，便可实现对某一特定频率电磁波的幅相独立调控。优选的，当时域编码超表面经电磁波照射时，根据调制方案的需求，计算出所需星座点对应的电磁波幅度\相位值，之后通过结合电磁波幅相独立调控理论，首先得出幅度对应的控制信号与相应的初始相位值，再计算补偿初始相位与最终相位之差所需的时延，最终组成控制信号使电磁波幅度\相位满足要求，进而生成所需的星座点；在此基础上，建立控制信号与不同星座点之间的映射关系，综合出符合标准分布的星座图。优选的，当时域编码超表面综合出符合调制方案需求的星座图时，建立基带数据与星座点之间的映射关系，结合控制信号与星座点之间的映射关系完成从基带数据到控制信号之间的完整映射，进而使得当时域编码超表面经电磁波照射时，基带数据可以通过控制信号直接调制到某一频率载波上，完成无线通信。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术原理简单，通过改变控制信号的频率与波形，就可以改变电磁波能量转换的频率、幅度与相位；(2)本专利技术利用基本单元组成阵列，由同一信号控制，可降低由于边界不同对单元电磁特性所产生的干扰，同时也减少了馈电网络设计复杂度；(3)与传统通信系统相比，本专利技术仅通过高速动态变化的控制信号即可将基带数据信号调制到特定载波频率上，实现无线通信；(4)与基于直接调制的新型通信系统相比，本专利技术仅利用相位可调的基本单元就获得了精确调控特定载波频率幅度/相位的能力，可以根据不同调制方案的需求生成符合协议标准分布的星座图；本专利技术不需要使用传统通信系统发射机架构中的上混频、滤波以及放大电路部分，大大简化了发射机架构，可以用于构建新体制通信系统，并可以缩短设计周期，降低设计难度，减少制造成本。附图说明图1为本专利技术的系统原理框图。图2(a)为本专利技术一个消息符号周期T内的反射系数相位波形示意图。图2(b)为本专利技术一个消息符号周期T内的反射系数幅度波形示意图。图3为本专利技术不同Φ下频率f＝fc+1/T处的幅度\相位理论值。图4(a)为本专利技术引入循环时延t0后，一个消息符号周期T内的反射系数相位波形图。图4(b)为本专利技术引入循环时延t0后，一个消息符号周期T内的反射系数幅度波形图。图5为本专利技术不同Φ与t0组成的相位波形对电磁波在f＝fc+1/T处在同相(In-phase)/正交(Quadrature)平面内的幅度\相位调控效果示意图。图6(a)为本专利技术所提出的时域编码超表面基本结构俯视图。图6(b)为本专利技术所提出的时域编码超表面基本结构侧视图。图7为本专利技术所提出的时域编码超表面实物图。图8为本专利技术在不同控制电压下f＝4.25GHz处反射幅度\相位的测量结果示意图。图9(a)为本专利技术在消息符号持续时间T＝10μs(对应载波频率为4.25GHz+100kHz)时，16QAM、8PSK、QPSK三种调制方案下接收机解调后的星座图结果。图9(b)为本专利技术在消息符号持续时间T＝1μs(对应载波频率为4.25GHz+1MHz)时，16QAM、8PSK、QPSK三种调制方案下接收机解调后的星座图结果。图9(c)为本专利技术在消息符号持续时间T＝0.5μs(对应载波频率为4.25GHz+2MHz)时，16QAM、8PSK、QPSK三种调制方案下接收机解调后的星座图结果。图9(d)为本专利技术在消息符号持续时间T＝0.4μs(对应载波频率为4.25GHz+2.5MHz)时，16QAM、8PSK、QPSK三种调制方案下接收机解调后的星座图结果。具体实施方式本专利技术所提出的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面由同一基本单元周期排列而成，其反射系数可以通过由控制电路生成的控制信号实时改变，该超表面类似传统平面可重构反射阵结构。本专利技术原理在于利用控制信号使基本单元反射系数相位以一定速率的形式在不同波形之间高速切换，再通过建立控制信号与基带数据信号的映射关系，使得当单音电磁波入射超表面时，可以将基带数据信号直接调制到特定载波频率，实现无线通信，其系统原理框图如图1所示。本专利技术所设计的反射系数具有线性变化的相位波形，在一个消息符号周期T内，相位由0线性变化为Φ，即Γm(t)＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，整体电磁特性通过由控制电路生成的控制信号实时改变。/n

【技术特征摘要】
1.实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，包括：n个基本单元，n个基本单元周期排列，整体电磁特性通过由控制电路生成的控制信号实时改变。


2.如权利要求1所述的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，基本单元为三层结构，第一层为基本单元上表面，包括特定的金属图案、变容二极管、贴片电容与馈电网络，其中变容二极管与贴片电容分别跨接在不同的金属图案之间，馈电网络则连接在金属图案的一侧用于加载控制信号至变容二极管两端；第二层为介质基板层，用于支撑整个超表面；第三层为金属背板；在第一层与第三层之间有多排金属通孔相连。


3.如权利要求1所述的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，控制电路生成的模拟电压，通过馈电网络加载至基本单元上的变容二极管两端，改变其等效电容，进而改变单元的电磁特性，具体为在指定的频点上，电磁波后向反射相位变化超过2.5π，反射幅度波动小于3.5dB。


4.如权利要求1所述的实现多种调制方案无线通信的时域编码超表面，其特征在于，控制电路具体组成为：一个以FPGA为核心的基带信号处理器，一个16位数模转换器和一个由运算放大器构成的放大电路；其中基带信号处理器生成基带数字信号并通过16位数模转换器转换为模拟输出电压，后经放大电路放大为所需的控制信号，整个控制电路的输出电压范围为0V～24V。


5.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：程强，戴俊彦，唐万恺，杨刘曦，李享，陈明正，柯俊臣，金石，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32