2023超表面技术在未来基站天线中的潜在应用

2023.7超表面技术在未来基站天线中的潜在应用目录2超表面技术背景超表面基站天线技术及性能超表面基站天线使用场景分析研究进展及问题思考12342超表面技术背景——两种形态改变相位分布赋形改变反射/透射特定频段带阻滤波，阻止透射偏置电压16v11v4v0v周期性亚波长结构的人工材料具备超常电磁反射、透射特性漫反射切换元器件状态改变单元相位，形成智能可调的波束超材料结构波束赋形智能超表面超材料薄膜透射减弱、反射增强介质层3介质层多bit单元反射曲线阵列相位分布普通界面智能超表面单元超材料膜单元S21曲线智能超表面技术背景——典型场景扩大网络覆盖屏蔽窗边干扰改善通信质量部署灵活低碳RIS中继透明屏蔽膜超表面基站天线透明增透膜45智能超表面技术背景——为突破传统基站天线瓶颈提供新思路传统8天线面向6G超大规模天线演进，AAU内功放和天线单元数增多，传统MIMO面临高成本、高功耗等挑战智能超表面作为全新形态的基站天线，有望减少射频通道，实现低成本、低功耗智能超表面+数字基带智能超表面能够实现更紧密的阵列单元集成，提升波束指向性（可小于1/2波长，无需考虑电流耦合）Massive

MIMO目录6超表面技术背景超表面基站天线技术及性能超表面基站天线适用场景分析研究进展及问题思考12346超表面+少量功放替代了传统通道上的大量移相器、放大器及天线阵子超表面基站天线技术— 系统架构智能超表面替代相控阵架构简洁、低成本、高灵活度数字中频芯片基带芯片基带芯片DACADC接口基带数字 收发中频 信机功放/低噪放7智能超表面超表面基站天线技术——馈电方式超表面基站天线

插损较高多层结构复杂

射频通道依旧多成本高、带宽低业界研究较少反射式透射式当前反射式超表面天线相对成熟，较易实现

波束扫描范围大损耗相对较低相对成熟辐射式810x10=100单元，3bit量化（0°,

30°））（0°,

45°）（0°,

55°）20x20=400单元，3bit量化（0°,

30°）（0°,

45°）（0°,

55°）固定单元周期下，单元数越多，阵列口面越大，增益越高，指向性越好9超表面基站天线技术

—

波束赋形性能

vs

阵面单元数1020x20=400单元，3bit量化，未加幅度权值超表面天线对于平面波入射，与传统天线阵相比，采用相同3bit量化相位，两者方向图近似，波束范围±60°硬件结构限制，目前幅度、相位联合调控实现旁瓣抑制难度高。超表面基站天线技术

—

波束赋形性能

vs

传统天线阵RIS（0°,

30°）天线阵

（30°）RIS（0°,

45°）天线阵

（45°）RIS （0°,

55°）天线阵

（

55°）问题与挑战：超表面基站天线技术

—

天线单元硬件

vs

性能bit数111bit、2bit、3bit

...调控器件pin管、变容管、液晶...极化单极化、双极化......波束赋形扫描能力主要依赖于bit数，增加bit数会增加调控器件数量和成本，需平衡取舍减小单位间隔到1/4~1/2波长，提高单元数，也会提升波束指向性，但改善有限且会提升成本θt0φt012xyz1bit2bit3bit赋形精度高栅瓣存在栅瓣低栅瓣超表面基站天线

—

波束赋形与量化bit数问题与挑战：高bit数需要元器件数量提升，成本随之提升高bit数导致工作带宽降低上述两个问题有待单元结构和器件性能的持续提升，或者挖掘新器件1bit2bit3bit对比变容管（个/单元）

11~21~2器件需求少，成本低，ns级调控pin管（个/单元）

1~23~4>5器件需求多，ns级调控液晶调控成本高，损耗高调控速率较低超表面基站天线

—

可调器件与量化bit数bit数131bit、2bit、3bit

...调控器件pin管、变容管、液晶...问题与挑战：14单元双极化的超表面单元设计难度大E垂直极化E水平极化水平极化分量（镜面反射）竖直极化分量（调相赋形）45°极化入射平面波单极化超表面电流仅沿竖直方向45°极化业界双极化样机方案：单元双极化：设计难度大，成本高极化原理：超表面基站天线

—

双极化实现棋盘拼凑：口面利用率低 双面板：面积大双极化需要可调器件数量翻倍，成本高问题与挑战：超表面天线入射波极化方式需与面板的极化方向匹配；为保证通信极化双流性，双极化超表面研发具有重要意义目录15超表面技术背景超表面基站天线技术及性能超表面基站天线适用场景分析研究进展及问题思考123415超表面基站天线单元间距小于半波长，天线单元紧凑控制超表面单元电磁特性调相结构简单，每个数字通道对应器件少量化bit导致波束赋形存在旁瓣双极化和联合幅相调控待突破无源增益较低，需要功放补偿或增大口径超表面基站天线系统架构简单，但bit量化不足波束赋形精度低，需继续提升调控器件性能数模混合波束赋形，精度高双极化（双极化射频通道+天线）毫米波数模混合天线天线单元间距约为半波长专用移相器件进行调相每个数字通道对应器件多超表面基站天线 —

架构、性能及成本对比分析考虑到超表面基站天线带来的系统链路简化，随着调控器件和大功率PA的成熟，综合成本会逐步形成优势256PAvs

4PA16超表面基站天线

—适用性评估现网改造，可用于辅助增强，比如通感一体对空无人机覆盖可行路线宏站特点：体积大、覆盖广、功率大、承载用户多问题：整体性能有差距（波束赋形能力、

MIMO性能、增益等方面）传统架构天线已大规模部署当前较难取代超表面天线用于宏站场景超表面天线用于小微站场景小微站特点：体积小、覆盖小、功率小、承载用户少超表面天线有望以较低的成本及功耗实现波束赋形，提高信号的覆盖范围和质量具备应用潜力，可能先试点应用17目录18超表面技术背景超表面基站天线技术及性能超表面基站天线适用场景分析研究进展及问题思考12341819RIS

单元及相位曲线RIS阵列等效单元及相位曲线等效阵列（MATLAB-CST联合建模生成）θi=-15.4°,θt

=50° θi=50°,θt=

-15.4°传统方法：结构复杂，需在电磁仿真软件CST中对所有元件的RLC参数逐一设置，

复杂度高，建模仿真时间长θi=-15.4°,θt

=50° θi=50°,θt=

-15.4°等效方法：结构简单，MATLAB联合CST可以自动快速建模，无需逐一设置可调元件RLC参数，复杂度低，建模仿真时间短仿真建模能力提升——等效阵列建模实现高效波束特性分析提出等效建模仿真方法，快速实现阵面复杂相位排布，进行远场波束特性仿真分析，能显著降低建模和仿真的复杂性和时间，大幅推进超表面远场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超表面基站天线

—— 一体化样机仿真4通道，2bit毫米波RIS天线方向图仿真2bit毫米波超表面天线方向图仿真，验证波束范围±60°，增益20dBi；（25x25,

1/3波长）；（天线反射损耗待实测）对比：目前业界256阵子毫米波天线增益约为28—

30dBi；20四通道单通道超表面基站天线

——面板bit调控性能测试（含调幅）率先实现2bit毫米波调相超表面样机加工及性能测试，技术达到业界领先水平，推进一体化超表面天线样机系统平台率先实现2bit调幅超表面样机加工及性能测试，技术达到业界领先水平，为幅相联合调控、信息调制样机奠定基础调幅21超表面基站天线

—

面板波束赋形扫描测试20°2230° 40°率先实现毫米波2bit调相赋形暗室性能测试，赋形精度达到业界领先水平50°超表面基站天线

—

毫米波2bit调相赋形系统性能测试率先实现毫米波2bit调相赋形超表面通信试验系统性能测试，结合USRP实现高清视频传输。预计完成更大单元数，支持多流数据传输的一体化超表面天线样机。23超表面基站天线

——

技术瓶颈与挑战24待解决问题：bit： 量化bit数存在瓶颈，且随着bit数升高，成本提升；带宽： 高bit数导致工作带宽较窄，不同频点波束赋形能力存在差异；器件成本：可调元器件多用于精密电路，成本高，尤其高频段更难实现极化： 单元双极化超表面设计难度大，待突破；幅相联合：目前无法实现幅度、相位联合调控，无法通过权值压低旁瓣，待突破；馈电方式：馈电方式需要结合应用场