智能全向表面的等效电路及反射透射系数建模方法

摘要

本发明公开了一种智能全向表面的等效电路及反射透射系数建模方法。所述等效电路包括并联的顶层金属图案等效电路、顶层馈线等效电路、底层馈线等效电路及底层金属图案等效电路、以及层间的耦合导纳；顶层金属图案等效电路的一端口与第一传输线相连；底层金属图案等效电路的一端口与第二传输线相连；顶层金属图案等效电路、顶层馈线等效电路、底层馈线等效电路及底层金属图案等效电路均为并联着一个RLC电路的二端口微波网络；当入射波通过第一传输线输入至顶层金属图案等效电路时，第一传输线输出相应的反射波，第二传输线输出相应的折射波。本发明可推知影响反射系数和透射系数的智能全向表面结构参数及智能全向表面辅助的信道是不互易。

说明书

技术领域

本发明涉及电子学领域，具体为一种智能全向表面的等效电路及反射透射系数建模方法。

背景技术

作为未来无线网络的关键技术之一，智能全向表面(intelligent omni-directional surface,IOS)可以改变无线传播环境，从而提升两侧用户的通信性能。然而现有的关于IOS的文献中，采用的反射-折射模型都过于简化，这对可以分析的案例研究和可以从中得出的结论造成了一些限制。具体来说，在现有的研究工作中，IOS的物理实现与反射和传输系数之间的关系并没有明确给出。因此，IOS中有哪些可以优化从而获得理想反射和折射特性的结构参数是不确定的。此外，现有的模型没有体现入射角对反射系数和透射系数的影响。因此，IOS辅助的信道是否是互易的仍是未知的，这可能会导致设计上的挑战，例如在时分双工方案中实现信道估计。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种智能全向表面的等效电路及反射透射系数建模方法。

一种智能全向表面的等效电路，包括并联的顶层金属图案等效电路、顶层馈线等效电路、底层馈线等效电路及底层金属图案等效电路、以及层间的耦合导纳；

所述顶层金属图案等效电路的一端口与第一传输线相连，该第一传输线和智能全向表面单元一侧的真空等效；

所述底层金属图案等效电路的一端口与第二传输线相连，该第二传输线和智能全向表面单元另一侧的真空等效；

所述顶层金属图案等效电路、顶层馈线等效电路、底层馈线等效电路及底层金属图案等效电路均为并联着一个RLC电路的二端口微波网络，且RLC电路的结构以及取值与智能全向表面参数有关；

其中，当入射波通过第一传输线输入至所述顶层金属图案等效电路时，所述第一传输线输出相应的反射波，所述第二传输线输出相应的折射波。

进一步地，所述顶层金属图案等效电路中，RLC电路的组成如下，电阻R

进一步地，所述电阻R

进一步地，所述顶层馈线等效电路中，RLC电路的组成如下，电阻R

进一步地，所述电阻R

一种智能全向表面的反射透射系数建模方法，其步骤包括：

获取第一传输线与第二传输线的特征阻抗与传播参数；

结合所述传播参数，构建通过上述任一方法得到的等效电路的ABCD传输矩阵；

基于所述特征阻抗与ABCD传输矩阵，分别对反射系数、透射系数建模，得到反射透射模型。

进一步地，通过以下步骤构建所述ABCD传输矩阵：

1)分别计算顶层金属图案与顶层馈线之间的层间耦合导纳

2)分别计算顶层金属图案、顶层馈线、底层馈线和底层金属图案对应的并联导纳

3)基于层间导纳

进一步地，基于反射系数计算模型与折射系数计算模型，得到会影响反射系数与透射系数的智能全向表面结构参数；所述智能全向表面结构参数包括：智能全向表面单元的宽度及长度、金属贴片的宽度及长度、馈线的宽度和中心金属片与地之间的间隙。

一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一所述方法。

一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上述任一所述方法。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

基于该模型，本发明可以推知通过优化哪些IOS的结构参数可以得到理想的反射系数和透射系数；同时，基于该模型也可以推知IOS辅助的信道是不互易的，从而便于设计信道估计方案。

附图说明

图1智能全向超表面单元示意图。

图2 IOS单元的等效电路图。

图3反射系数、透射系数建模方法的流程图。

图4二极管等效电路。

图5两个PIN二极管在(OFF,OFF)状态下，本发明与一现有技术在不同频率下的单元反射/透射振幅。

图6两个PIN二极管在(ON,ON)状态下，本发明与一现有技术在不同频率下的单元反射/透射振幅。

图7两个PIN二极管在(OFF,OFF)状态下，本发明与一现有技术在不同频率下的单元反射/透射相位。

图8两个PIN二极管在(ON,ON)状态下，本发明与一现有技术在不同频率下的单元反射/透射相位。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明特定实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

IOS是由大小相等的电可控散射单元组成的二维阵列。如图1所示，每个可重构单元由两个对称的层组成，每层都有一个介电材料基板，其上有一个金属贴片和均匀分布的N个PIN二极管。金属贴片通过PIN二极管连接到地面。根据预定的偏置电压，PIN二极管可以在ON和OFF状态之间切换，每个IOS单元的状态由单元上的PIN二极管的状态决定。在每一层的底部，有一个馈线，通过一个过孔连接到金属贴片。馈线被用来提供所需的偏置电压到PIN二极管

当电磁波入射到IOS单元上时，会在单元内激发随时间变化的电流，从而重新辐射反射和折射的电磁波。当IOS单元被配置为不同的状态时，单元的表面阻抗会相应变化，进而对激发电流和再辐射的电磁波产生影响。因此，IOS单元的反射和折射特性取决于单元的状态，即PIN二极管的配置。在IOS单元的所有可能状态中，选择N

为了建模一个IOS单元的反射和折射特性，本发明引入了一个等效电路，如图2所示。该等效电路具有以下特点：IOS两侧的真空用两根半无限传输线建模，IOS单元用双端口微波网络建模。因为IOS单元包含四个金属层，即在顶层的金属图案、顶层的馈线、底层的馈线、底层的金属图案,等效二端口网络模型由四个金属层和三个这些层之间的耦合导纳组成。在下面，本发明详细阐述这些金属层和耦合导纳。

IOS单元的每个金属层都使用等效并联导纳建模，该导纳由RLC电路表示。顶层和底层的金属图案的RLC等效电路由两个电容、两个电感、一个电阻和几个PIN二极管组成。具体来说，C

基于上述等效电路，本发明还公开了一种智能全向表面的反射透射系数建模方法，如图3所示，所述方法包括：

步骤1：获取第一传输线与第二传输线的特征阻抗与传播参数。

在一示例中，设定第一传输线与第二传输线的性能相同。在本示例中，设定传输线的特征阻抗Z

步骤2：结合所述传播参数，构建等效电路的ABCD传输矩阵。

等效电路的ABCD传输矩阵可以表示为：

其中，

并联导纳可以表示为：

其中，ω为角频率，

步骤3：基于所述特征阻抗与ABCD传输矩阵，分别建立反射系数计算模型与折射系数计算模型。

基于上述的ABCD传输矩阵，IOS单元的反射透射模型(反射系数Γ

其中d

基于上述反射透射模型，就可以得到会影响反射系数与透射系数的智能全向表面结构参数；所述智能全向表面结构参数包括：智能全向表面单元的宽度及长度、金属贴片的宽度及长度、馈线的宽度和中心金属片与地之间的间隙。

实验数据：

为了验证提出的等效电路，以及反射系数Γ

使用Microwave Studio和CST软件中的瞬态仿真包执行全波仿真仿真中假设平面波正入射具有unit cell边界的IOS单元。此外，将PIN二极管的等效电路模型代入仿真软件。将全波仿真得到的反射和折射响应代入反射和透射系数模型，求解方程，可以得到等效电路参数，如表1所示。图5-8记录了全波仿真(full-wave)和本发明(model)在PIN二极管在状态(ON，ON)或状态(OFF，OFF)下，得到的单元反射透射振幅和相位的对比，这表明本发明为所考虑的案例研究提供了良好的准确性。

表1.垂直入射下IOS单元的等效电路参数

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。