本发明专利技术涉及一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法。该卫星通信装置包括：偏置电压控制模块、可重构全息超表面、数字波束成形模块和卫星追踪模块。偏置电压控制模块预设偏置电压调节间隔；可重构全息超表面根据预设的偏置电压调节间隔对接收到的电磁波的振幅进行调节；数字波束成形模块对可重构全息超表面发射的电磁波进行预处理；卫星追踪模块根据卫星位置确定可重构全息超表面的波束指向。本发明专利技术通过采用可重构全息超表面和偏置电压控制模块，可以根据预设的偏置电压调节间隔对接收到的电磁波的振幅进行调节，填补了现有技术中没有采用RHS辅助的卫星通信追踪以及优化方法的技术空白。优化方法的技术空白。优化方法的技术空白。
【技术实现步骤摘要】
一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法
[0001]本专利技术涉及卫星通信领域，特别是涉及一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法。
技术介绍
[0002]目前卫星通信发展十分迅速，卫星通信可以提供高容量、宽带宽的数据服务，但是由于卫星自身的移动性，卫星通信对天线的精准波束控制以及快速切换波束方向的能力提出了很高的要求。目前广泛应用于卫星通信的天线包括碟形天线和相控阵天线，但它们都存在着自身固有的缺陷，严重阻碍了它们的未来发展。具体而言，碟形天线需要沉重而昂贵的波束转向机械，而相控阵高度依赖功率放大器，耗电功率大，移相电路复杂，移相器众多，尤其是在高频波段。因此，为了满足未来6G无线系统中指数增长的移动设备的数据需求，需要更经济高效的天线技术。
[0003]由于超材料的可调谐性和可编程性，新兴的可重构全息超表面(Reconfigurable holographic surface，RHS)技术在改善传统天线的不足方面显示出极大的潜力。RHS是一种超轻薄的平面天线，天线表面嵌有许多超材料辐射单元。RHS利用超材料辐射单元在表面构建全息图案，根据干涉原理记录参考波和目标波之间的干涉。然后，参考波的辐射特性可以通过全息图案来改变，以产生所需的辐射方向。具体而言，由天线馈源产生的参考波以导波的形式激励RHS，使得基于印刷电路板(PCB)技术制造的拥有紧凑结构的RHS成为可能。根据全息图案，每个辐射单元可以通过电控制参考波的辐射幅度来产生所需的辐射方向。通过对超材料辐射单元的电控制即可改变全息图案，从而快速改变产生的波束的方向。因此，相比于传统的碟形天线和相控阵天线，RHS无需重型机械运动装置和复杂的移相电路就可以实现动态波束成形，可以大大节省天线制造成本以及功率损耗，同时其轻薄的结构也十分便于安装。
[0004]RHS的现有研究工作大致集中于RHS硬件组件设计和辐射方向控制上。然而，大多数研究仅证明了RHS实现动态多波束控制的可行性。目前还没有工作研究RHS辅助的卫星通信追踪以及优化方法。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是提供一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法，以填补现有技术的研究空白。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置，包括：
[0008]偏置电压控制模块，用于预设偏置电压调节间隔；
[0009]可重构全息超表面，与所述偏置电压控制模块连接，用于根据预设的偏置电压调节间隔对接收到的电磁波的振幅进行调节；
[0010]数字波束成形模块，与所述可重构全息超表面连接，用于对所述可重构全息超表
面发射的电磁波进行预处理；
[0011]卫星追踪模块，与所述可重构全息超表面连接，用于根据卫星位置确定所述可重构全息超表面的波束指向。
[0012]优选地，所述可重构全息超表面包括：馈源、波导和超材料辐射单元阵列；
[0013]所述馈源和所述超材料辐射单元阵列均设置在所述波导上；所述超材料辐射单元阵列包括多个超材料辐射单元；
[0014]所述馈源发出电磁波，电磁波以导波的形式在所述波导上传播，所述超材料辐射单元对接收到的电磁波辐射振幅进行调节。
[0015]优选地，所述超材料辐射单元包括：金属底板、介质层、刻蚀有互补电感电容谐振环的微带线和液晶层；
[0016]所述介质层设在所述金属底板上；所述微带线设置在所述介质层上；所述液晶层设置在所述微带线上；
[0017]将偏置电压施加在所述液晶层上，所述液晶层的电容值随着施加的偏置电压的改变而改变，进而改变所述互补电感电容谐振环的互感。
[0018]优选地，在所述微带线上刻蚀环形槽以形成一个闭合环；所述闭合环上贴合一个金属贴片形成互补电感电容谐振环谐振器。
[0019]优选地，所述金属贴片的最长边上均设置有“T”型槽。
[0020]优选地，所述超材料辐射单元阵列的个数有多个；
[0021]两个超材料辐射单元阵列之间设置一个馈源，以构成一个电磁波传输
‑
接收模块；所述可重构全息超表面上设置有多个所述电磁波传输
‑
接收模块。
[0022]一种基于可重构全息超表面的卫星通信优化方法，应用于本专利技术上述提供的基于可重构全息超表面的卫星通信装置中；所述基于可重构全息超表面的卫星通信优化方法包括：
[0023]获取可重构全息超表面接收到的电磁波的初始辐射振幅和地面站与卫星信号矩阵；
[0024]根据所述初始辐射振幅和地面站与卫星信号矩阵确定数字波束成形方案；
[0025]采用迭代优化算法根据所述初始辐射振幅确定最优的全息波束成形方案；
[0026]将所述数字波束成形方案和所述全息波束成形方案作为系统数据速率最大化问题的初始解，对所述系统数据速率最大化问题进行迭代求解，直至相邻迭代次数间的卫星总数据速率的差值小于预设阈值时，输出的数字波束成形方案和全息波束成形方案为最优解。
[0027]优选地，所述采用迭代优化算法根据所述初始辐射振幅确定最优的全息波束成形方案，具体包括：
[0028]初始化所述初始辐射振幅；
[0029]引入辅助变量，基于所述初始辐射振幅确定用户速率最大化问题；
[0030]基于所述辅助变量和所述用户速率最大化问题确定优化后的辅助变量；
[0031]引入拉格拉日乘子，基于所述优化后的辅助变量确定全息波束成形方案；
[0032]采用次梯度法更新所述拉格拉日乘子后，检验确定的所述全息波束成形方案是否收敛，若不收敛，则返回步骤“基于所述辅助变量和所述用户速率最大化问题确定优化后的
辅助变量”，若收敛，则得到最优的全息波束成形方案。
[0033]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0034]本专利技术提供的基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法中，通过采用可重构全息超表面和偏置电压控制模块，可以根据预设的偏置电压调节间隔对接收到的电磁波的振幅进行调节，填补了现有技术中没有采用RHS辅助的卫星通信追踪以及优化方法的技术空白。
[0035]并且，本专利技术采用基于幅值调控的可重构全息超表面辅助卫星通信，具有功率低、成本低、易于安装等特点。
附图说明
[0036]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]图1为本专利技术提供的可重构全息超表面的结构示意图；
[0038]图2为本专利技术提供的波导上导波的传播示意图；
[0039]图3为本专利技术提供的超材料辐射单元的结构示意图；
[0040]图4为本专利技术提供的互补电感电容谐振环的结构示意图；...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置，其特征在于，包括：偏置电压控制模块，用于预设偏置电压调节间隔；可重构全息超表面，与所述偏置电压控制模块连接，用于根据预设的偏置电压调节间隔对接收到的电磁波的振幅进行调节；数字波束成形模块，与所述可重构全息超表面连接，用于对所述可重构全息超表面发射的电磁波进行预处理；卫星追踪模块，与所述可重构全息超表面连接，用于根据卫星位置确定所述可重构全息超表面的波束指向。2.根据权利要求1所述的基于可重构全息超表面的卫星通信装置，其特征在于，所述可重构全息超表面包括：馈源、波导和超材料辐射单元阵列；所述馈源和所述超材料辐射单元阵列均设置在所述波导上；所述超材料辐射单元阵列包括多个超材料辐射单元；所述馈源发出电磁波，电磁波以导波的形式在所述波导上传播，所述超材料辐射单元对接收到的电磁波辐射振幅进行调节。3.根据权利要求2所述的基于可重构全息超表面的卫星通信装置，其特征在于，所述超材料辐射单元包括：金属底板、介质层、刻蚀有互补电感电容谐振环的微带线和液晶层；所述介质层设在所述金属底板上；所述微带线设置在所述介质层上；所述液晶层设置在所述微带线上；将偏置电压施加在所述液晶层上，所述液晶层的电容值随着施加的偏置电压的改变而改变，进而改变所述互补电感电容谐振环的互感。4.根据权利要求3所述的基于可重构全息超表面的卫星通信装置，其特征在于，在所述微带线上刻蚀环形槽以形成一个闭合环；所述闭合环上贴合一个金属贴片形成互补电感电容谐振环谐振器。5.根据权利要求4所述的基于可重构全息超表面的卫星通信装置，其特征在于，所述金属贴片的最长边上均设置有“T”型槽。6.根据权利要求2所述的基于可重构全息超表面的卫星通信装置，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓若琪，张雨童，张浩波，
申请(专利权)人：杭州腓腓科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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