一种智能超表面及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种智能超表面及其控制方法，通过扫描线驱动电路和信号线驱动电路相互配合控制智能超表面RIS单元的工作状态，实现利用少数控制器引脚控制大规模的反射阵列的目的，从而节省智能超表面系统的成本，提高控制器的利用效率；此外，本发明专利技术可以通过模拟通断电路实现对RIS单元的模拟控制，相较于现有技术采用1比特或2比特量化处理的数字控制方式，能够采用更高分辨率的模拟控制，从而减少量化损失，提高控制精度。

【技术实现步骤摘要】
一种智能超表面及其控制方法
本专利技术属于涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种智能超表面及其控制方法。
技术介绍
在5G无线通信领域甚至是未来6G无线通信领域，毫米波技术都作为一项关键技术有着极其重要的作用，但是毫米波又有着十分致命的缺陷，遇到障碍物时损耗严重，导致通信效果不理想。为了解决这个问题，一种思路是在无线通信环境增加一种特殊制造的、低成本、可编程的智能超表面(RIS/LargeIntelligentSurface/ReconfigurableIntelligentSurface/SoftwareDefinedSurface/Metasurface/IRS/IntelligentReflectingSurface/ReconfigurableMeta-Surfaces/HolographicMIMO等，下文均用RIS表述)来辅助通信。智能超表面(也被称为智能反射面)的主要组成部分是可编程人工电磁表面结构。该结构是一种由大量亚波长单元按照周期或非周期性的排列组成的，具有可重配电磁特性的二维薄层。基本单元通常由金属、介质和可调器件构成。通过控制反射单元的可调部分，例如电磁波的幅度、相位，能够实现对电磁波传播方向的调控。当基站(BaseStation)与用户设备(UserEquipment)之间有阻隔时，可以通过在合适的位置加装一块RIS，信号可以在RIS处实现智能化定向反射，反射角度可以通过软件控制。可以用算法将反射的电磁信号指向用户所在位置，从而极大提高接收信号的功率，提升通信速率和可靠性，改善用户体验，应用场景如图1所示。现今智能超表面的控制方法是使用一个控制器IO口控制一个反射单元，然而由于超表面往往有大量的电磁单元，因此需要大量的控制器IO口资源，导致硬件实现成本居高不下。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种智能超表面及其控制方法，由此解决需要大量的控制器IO口控制超能超反面RIS单元的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术第一方面，提供了一种智能超表面，所述智能超表面包括位于外层的多个RIS单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，其特征在于，所述控制电路板包括：扫描线驱动电路、多个模拟通断电路和信号线驱动电路；多个RIS单元与多个模拟通断电路一一对应；模拟通断电路包括晶体管和电容，晶体管的栅极与扫描线驱动电路连接，源极与信号线驱动电路连接，漏极分别与RIS单元的一端及电容的一端连接，RIS单元的另一端及电容的另一端接地；所述扫描线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的扫描信号，传输至晶体管的栅极，选通RIS单元；所述信号线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的电压控制信号，将电压控制信号进行数模转换并传输至晶体管的源极，加载到选通的RIS单元。优选地，晶体管的漏极通过运算放大器与RIS单元连接。优选地，所述扫描线驱动电路为译码逻辑电路或移位寄存器电路。优选地，晶体管为场效应管。按照本专利技术的第二方面，提供了一种应用于第一方面所述的智能超表面的控制方法，其特征在于，所述方法包括：S1：计算智能超表面各RIS单元在当前时刻的控制电压信号，将所述智能超表面的RIS单元划分为至少一个集合；S2：确定每个集合内各RIS单元在该时刻所需的电压控制信号；S3：选取一个集合，向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于传输至晶体管的栅极，以选通该集合的各RIS单元；S4：向信号线驱动电路发送该集合的电压控制信号，所述电压控制信号经数模转换后传输至晶体管的源极，以同时加载到该集合的各RIS单元；S5：重复步骤S3-S4，直至各集合在该时刻所需的电压控制信号均已加载完毕。优选地，以预设时间间隔重复步骤S3-S4，直至各集合在当前时刻所需的电压控制信号均已加载完毕。优选地，电容容值与电容充电电流、智能超表面RIS单元刷新一次所需的时间满足以下关系：其中，n为智能超表面RIS单元的行数，T为智能超表面RIS单元刷新一次所需的时间，RRIS为RIS单元的阻值，Icharge为电容的充电电流，Vds为晶体管漏极和源极之间的电压差。优选地，将所述智能超表面的RIS单元划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块。按照本专利技术的第三方面，提供了一种智能超表面的控制器，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第二方面所述的智能超表面的控制方法。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：可通过扫描线驱动电路和信号线驱动电路相互配合控制智能超表面RIS单元的工作状态，实现利用少数控制器引脚控制大规模的反射阵列的目的，器件成本低，系统复杂度低，从而节省智能超表面系统的成本，提高控制器的利用效率，具有高独立可控性，与现有技术中每个RIS单元单独控制的方法相比，实现了利用少数引脚控制大规模的智能超表面阵列的目的，使得更大规模的智能超表面系统成为可能。此外，通过模拟通断电路实现对RIS单元的模拟控制，相较于现有技术采用1比特或2比特量化处理的数字控制方式，能够采用更高分辨率的模拟控制，从而减少量化损失，提高控制精度。进一步地，当RIS单元未被选通时，晶体管处于关断状态，由于运算放大器的输入电阻很大，可以使RIS两端电压下降小于百分之五的状态保持更长的时间，从而降低控制器刷新RIS面板的频率，提高RIS面板工作的稳定性，并且由于运算放大器的输出驱动能力较强，采用该种电路结构可以驱动阻抗小的RIS单元，提高通用性。进一步地，当扫描线驱动电路为译码逻辑电路或移位寄存器电路时，能够减少所需控制器端口数量，从而进一步减少成本。进一步地，晶体管采用分立的场效应管，场效应管对于导通与关断的响应更加迅速，从而提高整体控制效率，此外，场效应管的导通电阻较小，从而降低控制器刷新RIS面板的频率，提高稳定性。进一步地，通过设置预设时间间隔保证电容具有足够的充电时长，使电容的电压维持在较为稳定的水平，从而确保当晶体管处于关断状态时，电容具有足够的电量来保持驱动晶体管的电压，进一步提高控制方法的稳定性。附图说明图1是RIS辅助的无线通信系统示意图；图2是智能超表面示意图；图3是智能超表面反射单元等效电路示意图；图4是本专利技术实施例提供的基于模拟通断电路的智能超表面按行扫描控制方法示意图；图5是本专利技术实施例提供的模拟通断电路示意图之一；图6是本专利技术实施例提供的模拟通断电路示意图之二；图7是本专利技术实施例提供的基于模拟通断电路的智能超表面按行扫描控制方法示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模拟通断电路的智能超表面，所述智能超表面包括位于外层的多个RIS单元；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，其特征在于，/n所述控制电路板包括：扫描线驱动电路、信号线驱动电路和多个模拟通断电路；/n多个RIS单元与多个模拟通断电路一一对应；模拟通断电路包括晶体管和电容，晶体管的栅极与扫描线驱动电路连接，源极与信号线驱动电路连接，漏极分别与RIS单元的一端及电容的一端连接，RIS单元的另一端及电容的另一端接地；/n所述扫描线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的扫描信号，传输至晶体管的栅极，选通RIS单元；/n所述信号线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的电压控制信号，将电压控制信号进行数模转换并传输至晶体管的源极，加载到选通的RIS单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于模拟通断电路的智能超表面，所述智能超表面包括位于外层的多个RIS单元；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，其特征在于，
所述控制电路板包括：扫描线驱动电路、信号线驱动电路和多个模拟通断电路；
多个RIS单元与多个模拟通断电路一一对应；模拟通断电路包括晶体管和电容，晶体管的栅极与扫描线驱动电路连接，源极与信号线驱动电路连接，漏极分别与RIS单元的一端及电容的一端连接，RIS单元的另一端及电容的另一端接地；
所述扫描线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的扫描信号，传输至晶体管的栅极，选通RIS单元；
所述信号线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的电压控制信号，将电压控制信号进行数模转换并传输至晶体管的源极，加载到选通的RIS单元。


2.如权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，晶体管的漏极通过运算放大器与RIS单元连接。


3.如权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，所述扫描线驱动电路为译码逻辑电路或移位寄存器电路。


4.如权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，晶体管为场效应管。


5.如权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，晶体管为三极管或薄膜晶体管。


6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的智能超表面的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：计算智能超表面各RIS单元在当前时刻的控制电压信号，将所述智能超表面的RIS单元划分...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴熙隆，尹海帆，谭力，张昆，王锴，陆骋，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42