用可重构的超表面天线增强的MIMO通信系统及其使用方法与流程
如果在本申请的申请日已经提交了申请数据表(“ads”)，则其通过引用并入本文。根据35u.s.c§§119、120、121或365(c)要求在ads上享有优先权的任何申请以及此类申请的任何及所有母申请、祖母申请、曾祖母申请等(包括在这些申请中提出的任何优先权要求和通过引用并入本文的任何材料)也都在不与本申请不一致的范围内通过引用并入本文。
如果以上提供的申请清单与通过ads提供的清单不一致，则申请人的意图是要求对ads的“国内利益/国家阶段信息(domesticbenefit/nationalstageinformation)”部分中出现的每个申请以及在该申请的“优先权申请(priorityapplications)”部分中出现的每个申请主张优先权。
优先权申请的所有主题以及(直接或间接)通过优先权要求而与优先权申请有关的任何和所有申请的所有主题(包括截止本申请的申请日提出的任何优先权要求和通过引用并入其中的主题)在这样的主题不与本申请不一致的范围内通过引用并入本文。
相关申请的交叉引用
本专利申请根据35u.s.c.§119要求于2017年9月22日提交的、名称为“enhancedmimocommunicationsystemsusingreconfigurablemetasurfaceantennasandmethodsofusingsame”的美国专利申请序列no.62/561,897的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本公开涉及使用可重构超表面天线来进行容量增强的多输入多输出(mimo)通信系统。
背景技术：
许多商业多输入多输出(mimo)通信系统已经采用全向天线阵列作为辐射平台，而与信道特性无关。
在常规系统中，通常通过引入天线分集技术(即：增加阵列元件之间的间隔和/或使用双极化天线)来解决第一个问题，即空间相关性。第二个问题通常通过天线辐射图案的电气/机械倾斜得到缓解。
这些常规方法在实际的mimo信道中具有若干缺点。一个缺点是在阵列元件之间需要大的间距以提供足够的分集。然而，在实际实现方式中，可用空间通常受应用的严格的大小约束所限制。可访问天线极化的数量也受到限制。另一个缺点是，固定的全向模式可能会根据到达角度表现出较高的空间相关性，并且无法适应传播环境的变化。另一缺点是，在这种mimo信道中，全向模式不利于实现高信噪比(snr)。附加的缺点包括在常规辐射平台中的电倾斜或实现动态图案合成能力需要附加的射频(rf)电路，这会使整个系统设计复杂化，并显著增加硬件和运营成本。
仍然需要开发新的系统和方法，以通过利用超表面天线的灵活性来克服上述问题并从设计、实现和操作的角度提供各种优点来解决这些缺点。
技术实现要素：
mimo通信系统
在一实施方案中，提供了一种mimo通信系统。该系统可以包括第一天线，其包括第一腔；第一多个rf端口，其用于在所述第一腔内产生馈送波；和第一多个亚波长人工构造的材料元件，其作为rf辐射器布置在所述第一腔的表面上。所述第一天线被配置为生成分别与所述第一多个端口相对应的多个辐射图案。所述天线还可以包括第二天线，其包括第二腔和布置在所述第二腔的表面上的第二多个亚波长人工构造的材料元件。
在一些实施方案中，第一腔可包括第一前板和第一后板。
在一些实施方案中，所述第一多个rf端口中的每个rf端口耦合至所述第一后板。
在一些实施方案中，第一前板和第一后板中的每一个都是平坦的。
在一些实施方案中，第一前板和第一后板中的每个可包含金属。在一些实施方案中，金属可以包括铜。
在一些实施方案中，第一腔可包括设置在第一前板和第一后板之间的介电材料。
在一些实施方案中，第一腔是包括平行于第一后板的第一前板的2d平面腔或包括管的1d波导中的一个。
在一些实施方案中，第二腔可包括第二前板和第二后板。
在一些实施方案中，第二前板和第二后板中的每一个都是平坦的。
在一些实施方案中，第二前板和第二后板中的每一个可包含金属。在一些实施方案中，金属可以包含铜。
在一些实施方案中，第二腔可包括第二介电材料，该第二介电材料设置在第二前板和第二后板之间。
在一些实施方案中，第二腔是包括平行于第二后板的第二前板的2d平面腔或包括封闭管的1d平面腔中的一个。
在一些实施方案中，第一多个rf端口可以包括耦合到多个无线电单元的多个同轴探针。
在一些实施方案中，由第一多个rf端口激励的第一腔内的馈送波是来自多个同轴探针的场的总和。
在一些实施方案中，系统还可包括在第一腔内的第一多个导电销。
在一些实施方案中，系统还可包括沿第一腔的表面的第一多个导电圆柱形柱。
在一些实施方案中，第一腔填充有介电材料。
在一些实施方案中，多个辐射图案中的每一个可以包括单个定向波束。
在一些实施方案中，该系统还可包括耦合到第一多个rf端口中的每一个的放大器和移相器。
在一些实施方案中，该系统还可包括有源元件，其耦合到所述第一多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个，以用于调节每一个元件。
在一些实施方案中，有源元件可以包括二极管。
在一些实施方案中，二极管可以包括变容二极管。
在一些实施方案中，二极管可以包括pin二极管。
在一些实施方案中，有源元件可以包括晶体管。
在一些实施方案中，所述第一多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个被配置为用于每个元件的离散调节。
在一些实施方案中，每个元件的离散调节可以包括两个状态之间的二进制调节。
在一些实施方案中，每个元件的离散调节可以包括多于两个状态之间的灰度调节。
在一些实施方案中，第一多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个被配置为用于每个元件的连续调节。
在一些实施方案中，该系统还可包括第三天线，所述第三天线包括第三腔，所述第三腔包括第三前板和第三后板；以及在所述第三前板上的第三多个亚波长人工构造的材料元件，其中，所述第三天线被配置为从所述多个集群区域中的一个或多个接收散射辐射图案中的一个或多个。
在一些实施方案中，所述第二天线被配置为从所述第一天线和所述第二天线之间的多个集群区域接收多个散射辐射图案。
在一些实施方案中，所述馈送波具有电场，并且其中，所述电场的最大值在一个rf端口处，而电场的最小值或节点位于所有其他rf端口处。
在一些实施方案中，所述馈送波是rf波、微波频率波或mmw频率波中的一种。微波频率波可以是x波段、k波段、v波段等。
在一些实施方案中，所述馈送波具有范围为中心工作频率的0.5％至8.0％的带宽。
在一些实施方案中，所述rf端口中的每一个被配置为在所述第一腔内彼此电隔离。
在一些实施方案中，所述多个辐射图案中的每一个是来自所述多个亚波长人工构造的材料元件的所有辐射的叠加。
在一些实施方案中，叠加是线性的。
在一些实施方案中，系统可以包括耦合到所述第一多个rf端口中的每个rf端口的第一多个无线电单元。
在一些实施方案中，所述第一多个亚波长人工构造的材料元件和所述第二多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个可以包括超材料元件。
在一些实施方案中，超材料元件是互补的超材料元件。
在一些实施方案中，所述第一多个亚波长人工构造的材料元件和所述第二多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个可以包括亚波长贴片元件。
在一些实施方案中，第一天线和第二天线中的每一个都可以包括超表面天线。
在一些实施方案中，所述第二天线可以包括耦合到所述第二后板的第二多个rf端口；其中，所述第二天线被配置为生成多个辐射图案。
在一些实施方案中，所述第二天线被配置成发射超表面。
在一些实施方案中，所述第一天线被配置成接收超表面。
在一些实施方案中，所述多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个被配置为形成磁偶极子。
在一些实施方案中，其中第一天线具有的孔径尺寸显著大于与工作频率相对应的波长，显著大于与工作频率相对应的波长的10倍，显著大于与工作频率相对应的波长的100倍频率。
在一些实施方案中，所述多个亚波长人工构造的材料元件之间的所述间隔小于或等于与工作频率相对应的波长的大约一半，该波长的三分之一或五分之一、十分之一。
在一些实施方案中，多个亚波长人工构造的材料元件被随机地布置，使得元件之间的间隔不规则地变化。
在一些实施方案中，第一腔可以包括可调阻抗边界。
在一些实施方案中，第二腔可包括可调阻抗边界。
在一些实施方案中，该系统还可包括在第二腔内的第二多个导电销。
在一些实施方案中，该系统还可包括沿第二腔的表面的第二多个导电圆柱形柱。
发射天线
在另一个实施方案中，提供了一种发射天线。该天线可以包括腔，用于在腔内产生馈送波的多个rf端口以及作为rf辐射器布置在第一腔的表面上的多个亚波长人工构造的材料元件。天线被配置为产生分别对应于第一多个端口的多个辐射图案。
在一些实施方案中，发射天线的腔可以包括前板和后板。
在一些实施方案中，发射天线的多个rf端口中的每个rf端口耦合到后板。
在一些实施方案中，发射天线的前板和后板中的每一个是平坦的。
在一些实施方案中，发射天线的前板和后板中的每一个可以包含金属。
在一些实施方案中，发射天线的金属可以包含铜。
在一些实施方案中，发射天线的腔是包括平行于后板的前板的2d平面腔或包括管的1d波导中的一个。
在一些实施方案中，发射天线的多个rf端口可以包括耦合到多个无线电单元的多个同轴探针。
在一些实施方案中，由发射天线的多个rf端口激励的腔内的馈送波是来自多个同轴探针的场的总和。
在一些实施方案中，发射天线还可包括在发射天线的腔内的多个导电销。
在一些实施方案中，发射天线还可包括沿发射天线的腔的表面的多个导电圆柱形柱。
在一些实施方案中，发射天线的腔填充有介电材料。
在一些实施方案中，发射天线的多个辐射图案的每一个都可以包括单个定向波束。
在一些实施方案中，发射天线还可包括耦合到发射天线的多个rf端口中的每一个的放大器和移相器。
在一些实施方案中，发射天线还可包括有源元件，所述有源元件耦合到多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个，以用于调节发射天线的每个元件。
在一些实施方案中，发射天线的有源元件可以包括二极管。
在一些实施方案中，发射天线的二极管可以包括变容二极管。
在一些实施方案中，发射天线的二极管可以包括pin二极管。
在一些实施方案中，发射天线的有源元件可以包括晶体管。
在一些实施方案中，发射天线的多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个被配置为用于每个元件的离散调节。
在一些实施方案中，发射天线的每个元件的离散调节可以包括两个状态之间的二进制调节。
在一些实施方案中，发射天线的每个元件的离散调节可以包括多于两个状态之间的灰度调节。
在一些实施方案中，发射天线的多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个被配置为用于每个元件的连续调节。
在一些实施方案中，馈送波具有电场，并且其中电场的最大值在一个rf端口处，而电场的最小值或节点位于所有其他rf端口处。
在一些实施方案中，发射天线的rf端口中的每一个被配置为在腔内彼此电隔离。
在一些实施方案中，发射天线的多个辐射图案的每一个是来自多个亚波长人工构造的材料元件的所有辐射的叠加。叠加是线性的。
在一些实施方案中，发射天线还可包括耦合到发射天线的多个rf端口中的每一个的多个无线电单元。
在一些实施方案中，多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个可以包括超材料元件。
在一些实施方案中，发射天线的超材料元件是互补的超材料元件。
在一些实施方案中，发射天线的多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个可包括亚波长贴片元件。
在一些实施方案中，发射天线的多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个被配置为形成磁偶极子。
在一些实施方案中，多个亚波长人工构造的材料元件被随机地布置，使得元件之间的间隔不规则地变化。
在一些实施方案中，发射天线的腔可以包括可调阻抗边界。
接收天线
在另一个实施方案中，提供了一种接收天线。接收天线可以包括腔和布置在腔的表面上的多个亚波长人工构造的材料元件。接收天线还可以包括耦合到腔的多个rf端口，其中，天线被配置为利用分别与多个端口相对应的多个接收辐射图案来接收能量。
在一些实施方案中，接收天线的腔可以包括前板和后板。
在一些实施方案中，接收天线的前板和后板中的每一个都是平坦的。
在一些实施方案中，接收天线的前板和后板中的每一个都可以包含金属。
在一些实施方案中，接收天线的金属可以包含铜。
在一些实施方案中，接收天线的多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个都可以包括超材料元件。
在一些实施方案中，接收天线的超材料元件是互补的超材料元件。
在一些实施方案中，接收天线的多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个都可以包括亚波长贴片元件。
在一些实施方案中，接收天线的多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个被配置为形成磁偶极子。
在一些实施方案中，接收天线的多个亚波长人工构造的材料元件被随机地布置，使得元件之间的间隔不规则地变化。
在一些实施方案中，接收天线还可包括在腔内的多个导电销。
在一些实施方案中，接收天线还可包括沿腔的表面的多个导电圆柱形柱。
在一些实施方案中，接收天线的腔填充有介电材料。
在一些实施方案中，接收天线还可包括有源元件，所述有源元件耦合到多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个，以用于调节每个元件。
在一些实施方案中，接收天线的有源元件可以包括二极管。
在一些实施方案中，接收天线的二极管可以包括变容二极管。
在一些实施方案中，接收天线的二极管可以包括pin二极管。
在一些实施方案中，接收天线的有源元件可以包括晶体管。
在一些实施方案中，接收天线的多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个被配置为用于每个元件的离散调节。
在一些实施方案中，接收天线的每个元件的离散调节可以包括两个状态之间的二进制调节。
在一些实施方案中，接收天线的每个元件的离散调节可以包括多于两个的状态之间的灰度调节。
在一些实施方案中，接收天线的多个亚波长人工构造的材料元件中的每个被配置为用于每个元件的连续调节。
在另一个实施方案中，提供了一种用于第一天线和第二天线之间的mimo通信的方法。该方法可以包括：从第一多个rf端口产生第一天线的第一腔内的馈送波，第一多个亚波长人工构造的材料元件作为rf辐射器布置在所述第一腔的表面上。该方法还可以包括同时形成分别对应于所述第一多个端口的多个辐射图案。该方法还可以包括独立地调节所述多个超表面元件中的每一个以获得期望的辐射图案。
在一些实施方案中，该方法还可包括形成从所述第一天线到所述第二天线的多个空间信道以形成通信链路。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括动态地重新配置所述多个超表面元件中的每一个，以获得包括多个集群区域的环境所期望的辐射图案。
在一些实施方案中，用于动态调节的速率可以是至少0.2mhz。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括移动第一腔的第一谐振频率。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括通过使用耦合到所述第一多个rf端口中的每一个的放大器或移相器来调节所述第一多个rf端口中的每一个的幅值或相位来进行调谐。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括通过调节耦合到所述亚波长人工构造的材料元件中的每一个的有源元件来进行电子调谐。
在一些实施方案中，调节有源元件是调节有源元件的偏置电压。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括在第一腔内插入多个导电销。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括调节腔的边界阻抗。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括沿第一腔的边界放置多个圆柱形柱。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括用介电材料填充第一腔。
在一些实施方案中，第二天线可以包括第二腔和布置在第二腔的表面上的第二多个亚波长人工构造的材料元件。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括移动第二腔的第二谐振频率。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括通过调节耦合到第二多个亚波长人工构造的材料元件中的每一个的有源元件来进行电子调谐。
在一些实施方案中，调节有源元件是调节有源元件的偏置电压。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括在第二腔内插入多个导电销。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括调节第二腔的边界阻抗。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括沿第二腔的边界放置多个圆柱形柱。
在一些实施方案中，独立调节的步骤可以包括用介电材料填充第二腔。
附加实施方案和特征部分地在随后的描述中阐述，并且对于本领域技术人员而言，在阅读说明书后将变得显而易见，或者可以通过实践所公开的主题来获悉。通过参考形成本公开的一部分的说明书和附图的其余部分，可以实现对本公开的本质和优点的进一步理解。
附图说明
通过参考以下附图和数据图，将更充分地理解本说明，这些附图和数据图被呈现为本公开的各种实施方案，并且不应被解释为对本公开的范围的完整叙述，其中：
图1是根据本公开的实施方案的包括背腔式超表面天线的mimo通信系统的示意图。
图2是根据本公开的实施方案的在集群的mimo信道中的mimo通信系统的示意图。
图3a是根据本公开的实施方案的2d超表面天线的示意图。
图3b是根据本公开的实施方案的1d微带超表面天线和馈送磁场的示意图。
图3c示出了根据本公开实施方案的由对应于馈送磁场的有效磁偶极建模的超材料元件。
图4a是根据本公开的实施方案的可重构的背腔式超表面天线系统的示意图。
图4b是图4a的天线系统的分解图，其用于通过根据本公开的实施方案的结构来辐射和接收信号。
图4c示出了根据本公开的实施方案的图4a的示例性超材料元件的几何形状。
图4d示出了根据本公开的实施方案的图4c的元件的提取极化率的幅值和相位。
图5示出了根据本公开的实施方案的包括基站和多个单独用户的mimo通信系统。
图6a示出了根据本公开的实施方案的图1-2和图5的mimo通信系统的腔馈送调谐的图。
图6b示出了根据本公开的实施方案，用于对图1-2和图5的mimo通信系统的超表面元件进行电子调谐的图。
图7a是根据本公开的实施方案的子孔径相控阵列的示意图。
图7b示出了根据本公开的实施方案的示例性转向角对(以db标度为单位)的方向性图案。
图8a是根据本公开的实施方案的由50个可调超材料单元组成的模拟腔的示意图。
图8b示出了根据本公开的实施方案，由端口1激励的、在5.9ghz下的馈送波的幅值和相位。
图8c根据本公开实施方案示出了由端口2激励的、在5.9ghz下的馈送波的幅值和相位。
图9a示出了根据本公开实施方案的的图8a的模拟超表面天线的方向性(以dbi绘制)，其中示例性的转向角对φp＝±9°。
图9b示出了根据本公开实施方案的图8a的模拟超表面天线的方向性(以dbi绘制)，其中示例性转向角对φp＝±22.5°。
图9c示出了根据本公开实施方案的图8a的模拟超表面天线的方向性(以dbi绘制)，其中示例性转向角对φp＝±30°。
图9d示出了根据本公开实施方案的图8a的模拟超表面天线的方向性(以dbi绘制)，其中示例性转向角对φp＝±45°。
图10a示出了作为δφ(ρ＝10db)的函数的mimo通信系统的平均容量，其中，kλ,ula的平均容量独立于ao，但是以线的形式绘制以用于与所公开的系统的容量进行比较。
图10b示出了作为ρ的函数的mimo通信系统的平均容量，其中假设单个集群(φc＝0°,σφ,1＝20°)。
图10c示出了根据本公开实施方案的每个mimo通信系统的信道矩阵的平均条件数。
图10d根据示出了本公开实施方案的mimo通信系统的信道功率的平均增益。
图11a示出了作为δφ和角展度σφ的函数的具有单个集群的信道中mimo通信系统的示例性平均容量，其中由模拟超表面天线生成的图案的半功率波束宽度为25.4°且φc＝0°，假定ρ＝10db。
图11b示出了作为δφ和角展度σφ的函数的具有单个集群的信道中mimo通信系统的示例性平均容量，其中由模拟超表面天线生成的图案的半功率波束宽度为16.9°且φc＝0°，假定ρ＝10db。
图12a示出了在具有双集群的信道中的所公开的mimo通信系统的示例性操作，其中角展度被设置为σφ,1＝σφ,2＝20°。
图12b示出了当σφ,1＝σφ,2＝20°时，具有双集群的mimo信道中的mimo通信系统的平均容量，其中，超表面天线将每个波束的半功率波束宽度设置为16.9°，并且假定ρ＝10db。
图12c示出了当σφ,1＝σφ,2＝60°时，具有双集群的mimo信道中的mimo通信系统的平均容量，其中，超表面天线将每个波束的半功率波束宽度设置为16.9°，并且假定ρ＝10db。
图13a是根据本公开的实施方案的用于嵌入电介质填充的波导中的圆柱形柱的模拟设置。
图13b示出了根据本公开的实施方案的s参数的幅值(顶部)和相位(底部)。
图14示出了根据本公开的实施方案的用于通过mimo通信系统进行通信的方法。
具体实施方式
通过参考以下结合如下所述的附图进行的详细描述，可以理解本公开。注意，出于说明清楚的目的，各种附图中的某些元件可能未按比例绘制。
出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参考优选实施方案，并且将使用特定语言来描述它们。然而，应理解的是，并不意图由此限制本公开的范围，可以预期如本公开所涉及的本领域技术人员通常会想到的那样对本文所示的本公开进行这种改变和进一步修改。
本文中使用的冠词“一(a)”和“一个(an)”是指该冠词的语法对象中的一个或多于一个(即，至少一个)。举例来说，“一个元件”是指至少一个元件并且可以包括多于一个的元件。
除非另有定义，否则本文中使用的所有技术术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。
本文中提供的系统和方法部分地是通过仔细检查实际的mimo信道来激励的，在这些信道中经常观察到导致性能下降的不期望有的现象：(1)由于传播环境中散射体的集群而产生的显著空间相关性；(2)由于传播环境中的多重散射而导致的低snr。
本公开的一个方面提供了一种mimo通信系统，该mimo通信系统使用具有图案合成能力的可重构的背腔式超表面天线来适应mimo信道以增强容量。该解决方案通过新的辐射平台和支持算法实现，并显示出优于常规系统的多项优势。关键概念是利用超表面天线的图案合成能力来建立具有低空间相关性和/或高信道增益的mimo信道。以这种方式，该系统可以获得在常规系统中不容易得到的有益效果，同时保持系统的结构简单性。
本公开的另一方面提供了使用在本文提供的系统的方法，例如在小型小区网络(例如，微型小区、毫微微小区和微微小区)以及无线局域网(wlan)(例如wifi)中操作的现代蜂窝mimo通信系统中使用。
所公开的通信系统基于mimo信道的特性，通过超表面孔的图案合成能力来调节其操作。与其中使用复杂且昂贵的硬件(例如相控阵)来实现所需的图案合成的常规方法相反，本文描述的所公开的系统和方法利用超表面天线，其提供相当的合成能力，但是使用更简单且成本更低的硬件。
mimo通信系统
图1示出了根据本公开实施方案的包括背腔式超表面天线的mimo通信系统。背腔式超表面天线系统100包括腔102，该腔102装有用作辐射器的亚波长尺寸的超材料元件104。辐射器可以是无源的或者可调的。这些辐射器可能会将能量作为辐射泄漏到自由空间中。腔104包括用于在自由空间中产生辐射图案的辐射层。因此，总体辐射图案是每个超材料元件或辐射体的贡献的叠加。
背腔式超表面天线系统100还包括多个射频(rf)端口106a-b。腔104还包括耦合到多个rf端口(例如106a-b)的背面。
天线孔径或有效面积是天线在发射或接收电磁辐射(例如无线电波)的功率方面的有效性的量度。天线孔径包括辐射器。天线孔径通过被设计成彼此电气隔离的多个rf端口(例如，同轴探针或同轴馈电)激励。在共享相同的孔径的同时，每个rf端口的辐射图案110a-b可以不同。然后，rf端口106a-b中的每个连接到单独的无线电单元(未示出)，从而每个rf端口用作单独的输入(或输出)。如信号108a-b所示，根据mimo通信系统的配置，该系统可用于发射或接收，或同时用于发射和接收。
超表面天线系统100可以通过超材料辐射体的几何调谐和/或电子调谐来产生期望的辐射图案。因此，单个超材料元件的所有可能的调节状态为图案合成创造了广阔的设计空间。
在动态情况下，超材料辐射器104可以被单独地重新配置以便以兆赫兹频率或更高的频率改变图案。例如，腔102由于其支持多种模式的电磁波的能力而可以用来激励超材料单元104，所述电磁波是不同的馈送波。该馈电机制进一步使撞击在每个超材料元件上的电磁波多样化，从而增加幅值和相位变化的跨度(或等效地，增加用于图案合成的设计空间)。
在通信系统中可以使用两个信道，即瑞利信道和集群mimo信道。在瑞利信道(具有均匀的到达角)中，超表面天线可用于建立具有低相关性的空间信道。作为示例，超表面孔径可以在瑞利信道中处于接收模式。在这样的环境中，从基站发射的信号经历很大的散射，并且接收孔径层接收成组的不同的(或正交的)图案。这样的辐射图案导致低的空间相关性，并且可以由超表面天线容易地产生。在这种情况下，电子调谐或几何调谐中的任一个，或者电子调谐和几何调谐的组合，在产生辐射图时可能是有用的。一旦建立了空间信道，就可以通过使用空间复用技术来增强信道容量。
更接近实际测量结果的替代信道模型是集群mimo信道。在集群mimo信道中，所公开的系统可以操作以建立具有低相关性和高信道增益的空间信道。图2是根据本公开的实施方案的在集群mimo信道中的mimo通信系统的示意图。发射和接收超表面天线用于照射传播环境中的集群，以形成通信链路。如图所示，可重构的背腔式超表面天线系统200包括发射和接收天线200a和200b，以用于产生指向集群203a-c的多个可控波束210a-c。系统200还包括多个rf端口，例如，rf端口206a-c。
天线200a被配置为从相应的rf端口206a-c产生多个辐射图案210a-c。天线200a如箭头所指那样从各个rf端口206a-c接收信号208a-c，并且发射各个辐射图案210a-c，并且用作发射器。天线200b如箭头所指那样接收散射的辐射图案212a-c，并且用作接收器并向外发射信号207a-c。在集群信道中，超表面天线也可以同时充当发射器和接收器。例如，天线200a和天线200b中的每一个都可以充当发射器和接收器。
天线孔径可以产生单独的多个波束，以操纵每个集群(传播环境中的散射器云)，从而将发射的信息朝向接收器散射以形成通信链路。在系统200中，可重构的背腔式超表面天线可以生成大量波束，例如波束210a、210b和210c，并将它们导向相应的集群203a-c，从而散射发射的波束并形成朝向接收器200b的散射波束212a、212b和212c以形成通信链路。在这种配置中，应确保波束210a-c接收输入信号功率中的大部分。包括成对的波束(例如，波束210a和212a，波束210b和212b以及波束210c和212c)的空间信道可以被去相关并且具有高信道增益。当波束210a、210b和210c彼此分离并且因此可以聚焦信号能量时，可以减轻空间相关性，并且可以改善snr。以这种方式，可以获得高snr的复用增益。
在通信链路中，在同一集群处操纵的每对波束(通过发射和接收孔)建立单个空间信道。尽管每个波束210a-c被示为具有非常小的旁瓣的单个定向波束，但是波束210a-c可以是任何辐射图案。如果集群的数量与mimo通信系统的阶数不同，则使用波束来创建数量最多达到系统阶数的信道。
当集群特性改变或用户移动时，可以通过超材料辐射器的电子调谐来调节或操纵波束210a-c。为此，mimo通信系统可以使用自动集群识别算法来辨别和表征集群。通过采用空间复用技术来提高信道容量。如前所述，这些功能是通过可重构的背腔式超表面天线的图案合成能力实现的，该背腔式超表面天线也具有低成本、低尺寸规格(lowformfactor)和低功耗运行的优势。因此，所公开的mimo通信系统提供了一种获得该功能的新方式。独特的架构非常适合实际的mimo通信系统。
在一些变型中，其他可重构的超表面和超材料可用于相似的目的。例如，可重构的体积全息图也可以提供类似的优点。
本文提供的系统和方法具有许多应用，包括但不限于应用于在小型小区网络(例如，微型小区、毫微微小区和微微小区)以及无线局域网(wlan)(例如wifi)中操作的现代蜂窝mimo通信系统。所公开的系统和方法对于在密集的网络区域中工作的低功率、带宽受限的系统变得特别有利，在所述密集的网络区域中，高数据速率、操作成本和能量效率至关重要。在这样的环境中，发射器(例如，基站)和接收器(例如，用户装备)都可以采用所公开的系统来最大化其有益效果。孔层的平面形式在许多安装场所和用户装备中也是优选的。新兴应用还存在于物联网、智能建筑、传感器网络等中。
所公开的超表面天线可被描述为激励亚波长尺寸的超材料辐射体的波导(例如，一维(1d)中的微带或二维(2d)中的平行板波导)或腔(例如，空心或电介质填充的)，其被蚀刻到顶层内。
图3a是根据本公开的实施方案的2d超表面天线的示意图。如图所示，天线300a包括2d超表面，其包括布置在2d平面上的多个超表面元件304a。超材料元件304a被由波导(例如，圆柱形波314a)支撑的馈送磁场hf(实部以灰度标绘)激励。天线300a发射具有小旁瓣的单个定向波束310a。
图3b是根据本公开的实施方案的1d微带超表面天线和馈送磁场的示意图。如图所示，1d超表面300b包括线性地布置在1d平面上的多个超表面元件304b。超材料元件304b被由波导(例如，1d行波)支撑的馈送磁场hf(实部以灰色标绘)激励。天线300b发射具有较小旁瓣的单个波束310b，该波束的指向性小于波束310a。
图3c示出了根据本公开的实施方案的由对应于馈送磁场的有效磁偶极建模的超材料元件。如图所示，多个磁偶极子305具有与馈送波314b相对应的幅值和相位。
每个超材料辐射器304b将来自馈送波314b的能量耦合到自由空间中，从而导致复合辐射图案310b，该复合辐射图案由来自每个受激辐射器的场的叠加形成。使用该设备可以生成不同类型的辐射图案；例如，可以使用超表面天线生成空间上不同的图案和电子可控波束。为了产生受控的场图案，可以改变每个超材料元件的电磁响应，从而引入一种在某些约束范围内改变辐射场的幅值和相位的方法。
所公开的mimo通信系统被设计为既获得复用增益又获得高接收信噪比(snr)。mimo通信系统包括可重构的背腔式超表面天线。该系统在许多可能的超表面天线配置中特别有吸引力。在mimo通信系统中，腔在rf端口和超材料辐射器之间既充当馈电设备又充当编码设备。腔内的馈送层(例如，介电层)中的馈送波允许所有rf端口访问所有元件，并且对于每个端口赋予每个元件不同的复权重(complexweight)。换句话说，腔中的馈送波提供了一种耦合机制，该耦合机制不仅为辐射元件提供了独特的权重集，而且在rf端口和超材料辐射器之间建立了独立的馈电网络。
这种配置中的包括超材料辐射器、腔以及腔的变体的部件被封装在单个天线结构中，并共同形成简单、紧凑且节能的辐射系统。
与常规的可重构的mimo天线相比，可重构的背腔式超表面天线在结构和功能上是独特的。首先，超表面天线利用具有作为辐射器的可单独寻址的超材料元件的优势，并且不依赖于互连的辐射器，也不依赖于寄生元件。对超材料元件的单独调节不仅可以部分控制每个元件的幅值和相位，而且还可以控制辐射元件之间的间距和孔径尺寸的变化。后者是mimo通信系统的关键机制。其次，超材料元件由平面腔直接馈电，该平面腔取代了与传统阵列相关的复杂馈送结构，从而实现了具有可重构图案的紧凑型阵列天线系统。这样的紧凑且低成本的平台尚未在包括超表面天线的常规系统中实现。
本公开提出了一种使用可重构背腔式超表面天线的空间复用(sm)系统，该天线可产生可操纵的并发波束。使用超表面天线的系统可以在集群的mimo信道中实现高容量增益。研究了在sm系统中使用此类波束的有益效果以及导致容量增益的机制。为了进行这些分析，提出了示例性超表面天线及其设计程序。
图4a是根据本公开的实施方案的可重构的背腔式超表面天线系统的示意图。如图所示，可重构的背腔式超表面天线系统400包括装载有超材料元件404的腔402。在这种配置中，腔402是被金属壁包围的双覆铜电介质基板。将超材料元件404蚀刻到上层422中，在本公开中该上层422也被称为辐射层、顶板或前板。在该发射模式中，rf信号通过同轴探针406注入腔402中，以在腔402内、在顶板422和底板424之间的馈送层中形成空间变化的场416。在一些情况下，介电材料可以填充在进料层中。馈送层耦合到rf端口406或同轴探针406。馈送层激励超材料元件404，所述超材料元件404将能量从波导模式耦合到自由空间中。
所公开的mimo通信系统400还包括多个rf端口406，其可用于将信号注入腔并激励元件。每个rf端口406连接到单独的无线电单元(未示出)，使得当馈送层和辐射层422共享时，每个端口充当单独的输入/输出。
此外，如图4a所示，系统400可以包括耦合到每个超表面元件404的有源元件418，例如二极管。在一些实施方案中，有源元件是二极管，其可以控制每个超表面元件404以独立地“接通”或“断开”。
图4b是图4a的天线系统的分解图，其通过根据本公开的实施方案的结构来辐射和接收信号。设备在接收信号时的操作遵循对等原则。如图所示，在腔402内、在辐射层422与底板424之间形成馈送波416。此外，腔可任选地包括沿y方向延伸的同轴销420，并且同轴销420位于腔内、在辐射层422与底板422之间的。顶板在x-z平面上平行于底板。这些同轴探针用作源，在腔内发出圆柱波。
在一些实施方案中，辐射器(在这种情况下，即超材料元件)的数量可以与rf端口的数量不同。馈送层充当多路复用设备，并且以给定的幅值和相位激励辐射器，所有这些都封装在一个天线结构中。在接收模式中，当rf信号撞击在天线上时，该信号被辐射层422接受，并且在馈送层中形成空间变化的场。
图4c示出了根据本公开实施方案的图4a的示例性超材料元件的几何形状。腔402可以由诸如铜之类的金属形成。例如，超表面元件的设计参数为a＝b＝3.7mm,d＝1.2mm,w1＝0.78mm,w2＝0.6mm,w3＝0.5mm,g1＝0.2mm,并且g2＝0.4mm。
图4d示出了根据本公开实施方案的图4c的超表面元件的提取极化率的幅值和相位。如图所示，幅值曲线430中的峰值在共振时出现，其中超表面元件可以辐射入射功率中的许多。幅值接近零，并且相位曲线432显示相位离共振接近0°或远至180°。重要的是要注意，超材料元件辐射的场的幅值曲线430和相位曲线432是固有耦合的，此外，共振提供了有限的相位跨度(小于180°)。在超表面天线设计中需要考虑这些特性。应当注意的是，图4c中的元件尚未针对模拟天线设计优化，但这在整个公开中用作示例元件。
在mimo通信系统中，应避免在馈送层中的rf端口之间进行耦合，以确保低信号相关性。为了实现所需的隔离水平，每个端口产生的场的幅值在其他端口的位置应小到可以忽略不计。以这种方式，腔中的信号路径可以被电分离。确保高隔离度的确切过程取决于特定的天线几何形状。
在所公开的系统中，表征集群以适应辐射图案是基本的。因此，周期性地识别集群以及跟踪到达角(aoa)和离开角(aod)是重要的。对于集群识别，已经公开了几种算法来估计集群参数。对于初始访问以及对aoa和aod的跟踪，可以使用几种方法；首先，可以采用迭代波束成形训练方法，其中依次优化发射器/接收器处的波束成形权重以提高波束成形增益。第二，可以采用交换波束成形方法，其中发射器和接收器处的波束搜索空间分别由码本表示，以找到最佳的成对的发射和接收波束。自适应最小均方误差(mmse)波束成形也是系统的一种实用选择。尽管超出了本公开的范围，但是对用于动态表征传播环境的方法的详细分析仍然是实际系统的重要考虑因素。在整个本公开中，假定集群信息经由信道状态信息(csi)对于发射器和接收器都是已知的。
已知典型的6ghz以下的mimo信道具有许多集群，这些集群通常在角度上重叠，从而表现出复杂的散射环境。在这样的环境中，超表面天线需要生成具有多个波瓣而不是清晰定义的波束的复杂波形，以将图案与散射特性进行匹配。在这种情况下，超表面天线在产生复杂图案方面具有很大的潜力。
图5根据本公开实施方案示出了包括基站和多个单独用户的mimo通信系统。如图所示，mimo通信系统500可以包括基站500a，该基站500a包括具有两个平行金属板517和519的腔。基站500a包括多个超表面元件，例如金属板519上的元件502a-d。
每个超表面元件可以耦合到用于调节元件的相应的有源元件507a、507b、507c或507d，例如二极管或晶体管。腔500a可以在两个板517和519之间的一侧上包括可调阻抗边界515。腔500a还可以任选地在腔内包括多个导电同轴销503以形成不规则的腔。腔500a还可以任选地包括沿两个板517和519之间的腔的侧边界的导电的多个圆柱形柱521。
系统500还可以包括耦合到后板517的多个rf端口，例如端口506a-c。包括超表面元件的前板519用作辐射层。rf端口506a-c中的每一个可以任选地耦合到放大器和/或移相器，所述放大器和/或移相器用于调节输入到rf端口的各个信号508a-c。
基站生成多个辐射图案，例如与各个rf端口506a-c相对应的图案510a-c。这些辐射图案可以被集群区域523a-c散射。多个天线(例如504a-c)包括彼此分开的相应的超表面元件503a-c。天线504a-c接收各个散射辐射图512a-c。多个天线504a-c尤其可以是移动用户。替代地，多个天线504a-c也可以如图所示耦合到rf端口，并且在基站从多个天线接收信号的同时充当发射器。
调制方面-不规则腔和电子调谐
对图案的动态控制可以通过引入用于对每个超表面元件进行电子调谐的调谐机构(例如，二极管或液晶)来实现。因此，超表面天线避免了昂贵且耗电的射频(rf)电路和有源部件。结果，超表面天线已经作为具有简单、低成本和低轮廓配置的辐射平台的使能技术出现。受这些优点的启发，动态超表面天线孔径被用作空间复用(sm)系统的辐射层。
腔的编码或调制方面可以通过引入腔不规则性来操纵，例如通过引入可调节的阻抗边界或位于腔边界上的导电圆柱形柱来操纵。这种能力使得能调制元件的权重，并且还可以用于在rf端口之间建立高度隔离。
图6a示出了根据本公开实施方案的图1-2和图5的mimo通信系统的腔馈送调谐的图。如图所示，腔馈送调谐602可以包括在操作604处向腔插入同轴销。可以添加同轴销以改变馈送波的边界。这些同轴销用作在腔内发出圆柱波的源。
腔馈送调谐602还可以包括在操作606向腔边界添加圆柱形柱。可以添加圆柱形柱以形成不规则的腔。当电场入射到圆柱形柱上时，它会沿圆柱形柱的长度感应出电流，并将该场作为电气单极线源散射。圆柱形柱的集合被设计为充当导电壁。
腔馈送调谐602还可以包括在操作608处添加可调的阻抗边界。腔由于具有支持多种电磁波模式的能力，因而可以用于激励超材料元件，所述电磁波可以用于提供不同的馈送波。可调的阻抗边界可以改变腔的激励模式以形成不同的馈送波。
腔馈送调谐602还可包括将放大器和移相器添加到每个rf端口，以调节来自无线电单元的信号的幅值和相位。
除了通过腔的特性来调节权重之外，对元件的电子调谐还使得有很大的自由度来设计天线的辐射图案。利用超表面天线的相对较大的设计灵活性，可以在背腔式配置中方便地实现产生独立波形的能力。除了所有这些功能方面，背腔式超表面还因其小尺寸架构(smallformfactor)而具有突出的结构优势。
对元件的调谐导致腔的谐振频率ω0发生偏移。图6b示出了根据本公开实施方案的用于对图1-2和图5的mimo通信系统的超表面元件进行电子调谐的图。每个超表面元件也可以进行电子调谐。如图所示，在操作614，对每个元件612的电子调谐可以包括添加有源元件以进行连续调节。在操作616，对每个元件612的电子调谐还可以包括添加有源元件以用于离散调节。有源元件可以包括二极管618，其用于在两个状态之间进行二进制调节或在两个或更多个状态之间进行灰度调节。例如，二极管尤其可以包括变容二极管和pin二极管。有源元件还可以包括晶体管620等等。在某些情况下，其他有源元件或部件可以耦合到每个超表面元件，以连续或离散地调节幅值或相位。
将电子调谐和腔馈送调谐相结合使得系统能够定制辐射图案以适应传播环境的特征。
人工构造材料元件
本文所述的成像系统和方法的实施方案可以使用人工构造的材料来实现。一般而言，人工构造的材料的电磁特性源自其结构配置，而不是其材料组成或源自除了其材料组成。
在一些实施方案中，人工构造材料是超材料。在r.a.hydeetal.,“variablemetamaterialapparatus,”美国专利申请序列no.11/355,493；d.smithetal.,“metamaterials,”国际专利申请no.pct/us2005/026052；d.smithetal.,“metamaterialsnegativerefractiveindex,”science305,788(2004)；d.smithetal.,“indefinitematerials,”美国专利申请序列no.10/525,191；c.caloz,andt.itoh,“electromagneticmetamaterials.transmissionlinetheoryandmicrowaveapplications,”wiley-interscience,2006；n.enghetaandr.w.ziolkowski,eds.,“metamaterials.physicsandengineeringexplorations,”wiley-interscience,2006；以及a.k.sarychevandv.m.shalaev,“electrodynamicsofmetamaterials,”worldscientific,2007中描述了一些示例性超材料；其中每一个均通过引用并入本文。
超材料通常具有亚波长元件，即具有电磁长度尺度小于超材料的工作波长的部分的结构元件，并且该亚波长元件对电磁辐射具有集体响应，其对应于有效的连续介质响应，其特征在于有效介电常数、有效磁导率、有效磁电系数或其任意组合。例如，电磁辐射可以在亚波长元件中感应电荷和/或电流，由此亚波长元件获得非零的电和/或磁偶极矩。当电磁辐射的电子成分感应出电偶极矩时，超材料具有有效的介电常数；当电磁辐射的磁性成分感应磁偶极矩时，超材料具有有效的磁导率；当电(磁)成分感应磁(电)偶极矩(如在手性超材料中)时，超材料具有有效的磁电系数。一些超材料提供了人工的磁响应；例如，由非磁性导体制成的开口环谐振器(srr)或其他lc或等离子谐振器可以表现出有效的磁导率(参见j.b.pendryetal,“magnetismfromconductorsandenhancednonlinearphenomena,”ieeetrans.micro.theo.tech.47,2075(1999),hereinincorporatedbyreference，其通过引用并入本文)。一些超材料具有“混合”电磁特性，这些电磁特性部分来自超材料的结构特征，并且部分来自组成材料的固有特性。例如，g.dewar,“athinwirearrayandmagnetichoststructurewithn<0,”j.appl.phys.97,10q101(2005)(其通过引用并入本文)描述了由嵌入非导电铁磁主体介质(表现出固有的负磁导率)中的线阵列(由于其结构而表现出负磁导率)组成的超材料。可以将超材料设计和制造成表现出选定的介电常数、磁导率和/或磁电系数，其取决于组成材料的材料特性以及亚波长元件之间的形状、手性、配置、位置、方向和耦合。选定的介电常数、磁导率和/或磁电系数可以是正值或负值、复杂的(具有损耗或增益)、各向异性、空间可变(如在梯度折射率透镜中)、时间可变(例如，响应于外部信号或反馈信号)、频率可变(例如，在超材料的共振频率附近)或其任意组合。可以在从无线电波长到红外/可见光波长的范围内的波长处提供选定的电磁特性；红外/可见光波长是可以达到的，例如，使用纳米结构材料，例如纳米棒对或纳米鱼网结构(参见s.lindenetal,“photonicmetamaterials:magnetismatopticalfrequencies,”ieeej.select.top.quant.elect.12,1097(2006)和v.shalaev,“opticalnegative-indexmetamaterials,”naturephotonics1,41(2007)，两者均通过引用并入本文)。m.s.rilletal,“photonicmetamaterialsbydirectlaserwritingandsilverchemicalvapourdeposition,”naturematerialsadvanceonlinepublication,may11,2008,(doi:10.1038/nmat2197)中描述了在光频率下的三维超材料的一个示例，即细长的开口环“木桩”结构。
尽管许多示例性超材料被描述为包括离散元件，但是超材料的一些实现方式可以包括非离散元件或结构。例如，超材料可以包括由子元件构成的元件，其中子元件是离散的结构(例如开口环谐振器等)，或者超材料可以沿某些连续结构(例如，基板上的蚀刻部)包括属于包含物、排除物、层或其他变体的元件。层状超材料的一些示例包括：由交替掺杂/本征半导体层组成的结构(参见a.j.hoffman,“negativerefractioninsemiconductormetamaterials,”naturematerials6,946(2007)，其通过引用并入本文)以及由交替的金属/介电层组成的结构(参见a.salandrinoandn.engheta,“far-fieldsubdiffractionopticalmicroscopyusingmetamaterialcrystals:theoryandsimulations,”phys.rev.b74,075103(2006)；和z.jacobetal,“opticalhyperlens:far-fieldimagingbeyondthediffractionlimit,”opt.exp.14,8247(2006)；每个都通过引用并入本文)。超材料可以包括具有分布式电磁响应(例如分布式电感响应、分布式电容性响应和分布式电感电容性响应)的扩展结构。示例包括由加载的和/或互连的发射线(例如微带和带状线)、人工接地平面结构(例如人工完美磁导体(pmc)表面和电磁带隙(egb)表面)以及互连/扩展的纳米结构(纳米鱼网、拉长的srr木桩等)组成的结构。
如本文所述，人工构造的材料可以布置在波导的表面上或腔的表面上。具体地，可以根据本文描述的方法和系统将人工构造的材料布置在波导的表面上或腔的表面上，以用于发射和/或接收能量。例如，人工构造的材料可以包括互补的超材料元件，例如在d.r.smithetal,“metamaterialsforsurfacesandwaveguides,”美国专利申请公布no.2010/0156573,和a.bilyetal,“surfacescatteringantennas,”美国专利申请公布no.2012/0194399中提供的那些，通过引用将其每一个并入本文。举另一示例而言，人工构造的材料可以包括贴片元件，例如在a.bilyetal,“surfacescatteringantennaimprovements,”美国专利申请no.13/838,934中提出的贴片元件，其通过引用并入本文。
此外，如本文所述的人工构造的材料可以至少部分地形成超材料表面天线。超材料表面天线，也称为表面散射天线，例如在美国专利申请公布no.2012/0194399(下文中称为“bilyi”)中描述。在美国专利申请公布no.2014/0266946(下文中称为“bilyii”)中描述了包括耦合至多个亚波长贴片元件的波导的表面散射天线。在美国专利申请公布no.2015/0318618(以下称为“cheni”)中描述了表面散射天线，该表面散射天线包括耦合至装载有集总/有源设备的可调节散射元件的波导。在美国专利申请公布no.2015/0318620(以下称为“blacki”)中描述了特征在于弯曲表面的表面散射天线。在美国专利申请公布no.2015/0380828(以下称为“blackii”)中描述了包括耦合至多个可调节加载的缝隙的波导的表面散射天线。并且，在美国专利申请公布no.2015/0372389(以下称为“chenii”)中描述了用于表面散射天线的各种全息调制图案方法。所有这些专利申请均通过引用整体并入本文。
在以上这些参考文献中，在本公开中，“散射元件”被称为“亚波长人工构造的材料元件”。在一些实施方案中，亚波长人工构造的材料元件是亚波长超材料元件或亚波长超表面元件。
虽然以上参考文献描述了布置在波导表面上的亚波长散射元件，但是本公开的实施方案包括布置在腔表面上的类似的亚波长人工构造的材料元件。
mimo通信系统的模拟
本公开还提供了使用模拟的超表面天线的mimo通信系统，并展示了集群的mimo信道中信道容量的提高。在nlos环境中，考虑了由nt个发射天线和nr个接收天线组成的点对点、窄带平坦衰落mimo通信系统。
表1-2示出了本公开中使用的所有符号。
表1
表2
假设信道对于所发射的符号是分段恒定的，则每个符号的mimo通信系统可以描述如下：
其中
假设所发射的信号在传播信道中经历瑞利衰落，则等式1中的mimo信道矩阵h可以使用kronecker模型生成，并且描述如下：
其中
已知kronecker模型假设发射器和接收器的相关性是独立且可分离的，这会低估mimo信道容量。然而，在整个本公开内容中采用了kronecker模型，因为它方便地允许了发射和接收相关特性的分离，从而在检查mimo通信系统的性能时提供了简单的结构。已经公开了利用发射、接收相关性以及跨链路的相关性的更复杂的结构，以对具有实际相关性的更广泛类别的mimo信道进行精确建模。
为了使用kronecker结构构造mimo信道矩阵h，应指定发射和接收空间相关矩阵(等式2中的rt和rr)。矩阵的元由开路电压相关系数给出(参见示例3)，表示如下：
其中s(ω)是aoa/aod的功率角谱，并且ep，eq分别表示具有相同极化的第p、第q天线的远场图案。电压相关系数
对于具有不均匀功率角谱的mimo信道，信号能量集中在某些方向上，因此需要考虑天线增益。然而，等式3中的自相关系数总是将归一化为一(unity)，并且无法评估天线增益对mimo通信系统性能的影响。为了解决这个问题，在等式3中定义的相关系数可以不同地归一化以反映天线增益。在整个公开中，经修改的相关系数如下给出：
其中，eiso(ω)是各向同性天线的辐射图案，其与ep(ω)和eq(ω)具有相同的极化。辐射功率通过以下方式固定：将通过闭合表面s流出的功率归一化为
为了计算在等式4中的经修改的相关系数，采用集群的mimo信道模型并将其扩展以包括已被示出为精确地匹配许多传播环境的方向信息。在此信道模型中，将传播环境中几何上共处一处的散射对象进行分组和建模成集群，其特征在于从发射器或接收器遇到的集群参数。第k个集群的路径的平均角度定义为平均集群角度(表示为立体角ωk＝(φk，θk)，其由方位角(φk)和仰角(θ)组分组成)。角展度(或标准偏差ωk＝(φk，θk))描述了每个集群中路径的角分布。在本公开中，假设集群是独立的以简化分析，并且还假设仰角θ上的功率角谱与方位角φ或数学上无关，s(ω)＝sθ(θ)sφ(φ)。在许多室内和蜂窝环境中，仰角展度与方位角展度相比较小，因此，假定sθ(θ)＝δ(θ-π/2)，其中，δ(·)是增量函数。对于功率方位角谱(pas)，sφ(φ)＝p(φ)*δ(φ-φc)，其中*是卷积算符，并且φc是平均集群角。对于pas，截断的拉普拉斯分布表示为
其中σφ是pas的标准偏差。
截短的拉普拉斯分布已被证明可为许多室内和城市区域提供合理的匹配。归一化∫2πp(φ)dφ＝1可以确保p(φ)是概率密度函数。集群的独立性使信道模型可以通过添加表征集群的分布来模拟多个集群信道。以这种方式，模拟nlos，集群的mimo信道(由集群参数φc和σφ来表征)以及构造信道矩阵h可以评估mimo通信系统的性能。
作为性能度量，考虑了空间复用系统的遍历容量。假设发射天线之间的功率分配相等，并且发射信号矢量不相关，则瞬时容量表示为：
其中det(·)是行列式。那么，遍历容量为
hω是利用瑞利衰落系数来生成，以针对固定的辐射图案和集群参数的给定集合构造mimo信道矩阵h。然后，通过取许多信道实现上的瞬时容量的平均值(即随机衰落系数)来获得遍历容量。注意，等式4中的自相关系数可以超过1，因此，mimo通信系统的信道容量可以超过由归一化的mimo信道矩阵建模的不相关瑞利信道的容量。出于相同的原因，信道矩阵h未被归一化，使得
模拟子孔径相控阵
子孔径相控阵列的示意图在图7a中示出。如图所示，孔径700包括两个子孔径708a-b。孔径700在x-z平面上的整体尺寸为3λ0×0.5λ0。每个子孔径708a-b中的每个半波长偶极子710a-b由每个功率放大器702a-b和每个移相器704a-b加权。偶极子沿z方向指向。
图7b示出了子孔径相控阵列的方向性图案，例如成对的转向角。当转向角的绝对值大于45°时，由于子孔径的孔径较小，旁瓣722变得明显。如图所示，当转向角为±22.5°时，旁瓣720小得多。然而，当转向角为±90°时，旁瓣722变得更大。
实施例1：模拟的背腔式超表面系统
在本公开中，通用的超表面天线模型用于概念性地开发基于超表面天线的mimo通信系统。由于超表面天线在电气上较大，并且包含大量亚波长人工结构的材料元件(即超材料元件或辐射器)，因此使用全波电磁求解器对超材料辐射器和频率点的所有调谐状态进行模拟/优化是很费时的。因此，提出了具有两个分离且可控波束的模拟可重构的背腔式超表面天线。
蚀刻到波导或腔中的单个超材料元件被很好地近似为磁偶极子，每个偶极子元件的特征在于具有如下的洛伦兹共振形式的磁极化率：
其中ω、ω0分别是角频率和角共振频率。f是耦合因子，γ＝ω0/2qm是阻尼因子，并且qm是谐振器的品质因子。下标描述了等效磁偶极子的极化(例如，αz是针对
虽然超材料元件可以表现出更高阶的共振和/或交叉极化辐射(例如αx≠0)，但是可以通过优化元件的形状来避免这种影响。
在模拟的超表面天线中，图4c所示的单个超材料元件在平行板波导中建模，并使用全波电磁求解器进行了分析。填充波导的基板为1.52毫米厚tmm13i(∈r＝12.2，tanδ＝0.0019)，并恢复了该设置下元件αz的极化率。根据提取的极化率，元件的洛伦兹参数使用最小二乘拟合(ω0/2π＝6.03ghz，f＝1.18×10-9m3，qm＝21.03)计算。
假设所有超材料元件都是可调谐的并且具有相似的取向，并且可以仅使用极化率(即，αz)的
其中hz,f表示腔中磁场的z分量(称为馈送波)，并且
元件的调谐导致共振频率ω0的偏移，其根据等式7中的洛伦兹响应调节极化率的相位和幅值。虽然调谐可以改变等式7中的填充因子f和阻尼因子γ，但考虑谐振频率的偏移以简化分析(即ω0＝ω0(t))。通常，激励超材料元件的馈送波由腔的几何形状、腔内电介质基板的介电常数、超表面元件的位置/响应以及rf端口的馈送位置确定。在此，超材料元件被近似为对腔中的馈送波进行采样的磁偶极子，这种近似值在元件弱耦合到馈送波时有效。在这种情况下，这些元件不会显著扰动馈送波，使得馈送波近似为腔所支持的本征模的扩展。此外，假定超材料元件彼此不相互作用。尽管总体上是乐观的，但这些假设与超表面天线的全波模拟提供了很好的一致性。尽管超出了本文所述的分析范围，但是基于耦合偶极子的完全自洽的建模方法仍可适用于解释辐射元件的相互作用。当需要在设计和物理实现之间达成精确协议时，需要进行这样的分析。
图8a是由50个可调超材料元件组成的模拟腔的示意图。模拟的印刷腔的几何形状在图8a中示出。孔径的尺寸是长度为3λ0，腔高度b为0.03λ0，宽度为0.5λ0，并且频率为5.9ghz。腔由50个随机分布在孔径上的超材料元件组成。在这项工作中，基于数值研究选择了足够数量的超材料辐射器，以使天线可以生成所有所需的辐射图案。本领域技术人员应认识到，可以对背腔式超表面天线的实际设计中的辐射器的最佳数量进行严格的研究；需要进行这样的分析才能得出一种设计，该设计对于所有输入信号都可以访问孔径的整个空间范围。
圆柱形柱和同轴销
超表面天线的馈送结构可以包括在边界上的导电圆柱形柱，从而形成不规则的腔。当场入射到圆柱形柱上时，它会沿圆柱形柱的长度感应出电流，并将该场作为单极线源散射。圆柱形柱的集合被设计为充当导电壁。
超表面天线的馈送结构由在边界811上的408个导电圆柱形柱809组成，从而形成不规则的腔800。当场入射到圆柱形柱809上时，它沿y方向感应电流并将场作为电单极线源散射。在此，圆柱形柱的集合被设计为充当导电壁。例如，每个柱的直径为0.15mm，柱之间的间距为0.5mm(参见实施例4)。选择腔的尺寸以形成在5.9ghz时尺寸为3λ0×0.5λ0的孔径，并填充介电基板(1.52mm厚度的tmm13i)。
rf端口(同轴探针)耦合到腔的底部。同轴销805位于腔内，并且沿垂直于x-z平面的y方向延伸，如图8a所示。这些同轴探针用作源，在腔800内发出圆柱波。
馈送波
在图8b和8c中分别绘制了通过端口1和2在5.9ghz下的馈送波的幅值和相位。在这些模拟中，通过端口注入腔中的功率被固定。如图8b和8c所示，由rf端口激励的馈送波的幅值和相位是不同的，从而有效地向超材料元件提供了不同馈送波。
由端口激励的腔内的馈送波是来自同轴探针(用作单极电线源)的场与由导电销805散射的场和从圆柱形柱809散射的场的总和。
馈送位置
如所讨论的，腔中的介电基板的介电常数和馈送位置是设计中的关键因素，因为它们定义了馈送波、辐射场以及天线的工作带宽。特别是，辐射图案(和天线增益)应保持在工作带宽内，这意味着馈送波在给定带宽上不应有明显变化。同时，不同的馈送波在超材料元件的位置提供不同的相位和大小，从而导致来自同一系列的超材料辐射器的不同辐射图案。因此，需要仔细选择介电常数和/或馈送位置以选择性地激励腔的本征模。
rf端口的馈送位置可以通过数值研究来确定。可以选择端口位置，以使其他rf端口的馈送波最小。馈送波具有电场。期望在给定的rf端口处具有最大的电场，而在所有其他rf端口处均具有电场中的最小值或节点(odes)。对于每个rf端口重复此操作。例如，下一个rf端口可能具有最大电场，而所有其他rf端口都具有电场节点。这可以通过激励给定的端口并观察腔中的场分布来检查。
超材料元件的位置是随机选择的。在天线的实际设计中，可以通过应用优化技术来确定射频端口和超材料元件的位置。
在一些实施方案中，选择tmm13i介电基板，并且使用数值试验来找到馈送位置，从而将由rf端口激励的不同的馈送波保留在工作带宽内。
一旦模拟了馈送波，则在等式8中给出元素mz,i的偶极矩。超材料元件中的每一个都以电磁偶极子的形式在[65]给出的远场中以电场图案辐射。
其中k0＝2π/λ0，μ0，φ分别是自由空间波数、真空渗透率和圆柱坐标中沿方位角方向的单位矢量。通过结合等式8和9，超表面天线的总远场图案是每个超表面元件辐射场的总和，其表示为：
在此，超材料元件的调谐状态(或权重)可以被认为是工作带宽中的一组可访问的极化率，从而形成用于图案合成的设计空间。由于可以调制每个元件的极化率，从而可以调制其磁偶极矩，因此可以根据等式10来改变整个辐射图案，其具有可调的极化率αz，i(ω，t)。因此，在给定馈送波的情况下，从模拟天线合成所需的图案等效于选择元件的权重。
为了从模拟的超表面天线产生两个可控波束，应用非线性优化器来找到元件的最佳权重。除了辐射图案以外，还要考虑天线的工作带宽，将要最小化的目标函数定义为∑p∑k||akw-bp||，其中ak、w、bp是分别在第k频率点、元素的权重、端口p∈{1,2}的所需辐射图案处在等式9的括号中的项。||·||表示欧几里德范数。对于期望的辐射图案bp，使用在方位平面中偏移目标转向角φp的正弦函数(即，
图9a-9d示出了对于各种转向角和几种扫频的选定对的模拟超表面天线的辐射图案。图9a示出了图8a的模拟超表面天线的方向性(以dbi绘制)，其具有示例性的成对的转向角φp＝±9°。特别地，图9b示出了图8a的模拟的超表面天线的方向性(以dbi绘制)，其具有示例性的成对的转向角φp＝±22.5°，图9c示出了图8a的模拟的超表面天线的方向性(以dbi绘制)，其具有示例性的成对的转向角φp＝±30°，并且图9d示出了图8a的模拟的超表面天线的方向性(以dbi绘制)，其具有示例性的成对的转向角φp＝±45°。针对以下不同的频率绘制了由rf端口1和rf端口2生成的定向波束902和904：5.89ghz(虚线)，5.90ghz(实线)，5.91ghz(虚线)。
对于每一对转向角和频率，超材料元件的重量被优化。在这些图中，由超表面天线产生的辐射图案被各向同性天线的辐射图案分开，以获得图案的方向性。结果证实，模拟的超表面天线可以产生和操纵波束，而方向性只有很小的变化；在所有情况下，方向性均保持>13dbi，并且对于每个转向角，在扫频范围内观察到的变化很小(<1db)。
应当注意，辐射功率取决于通过天线的辐射效率的输入功率，这将使方向性与天线增益相关。在实际系统中，只要辐射效率高，辐射功率就与输入功率相似。为了在具有不同天线配置的mimo通信系统之间进行合理的性能比较，假定在后续部分中研究的系统的效率相同。此外，假设窄带平坦衰落mimo通信系统，并且因此，天线产生的辐射图案为5.9ghz。在具有工作带宽(例如20mhz)的实际系统中，采用正交频分复用(ofdm)技术，并且将窄带分析/模型应用于每个子载波信道。在ofdm方案中，只要mimo信道在子载波信道上没有显著变化，则可以将超表面天线设计为在包括子载波信道的频带中保持天线特性(如图9a-d所展示的)。否则，超表面天线需要为子载波信道创建不同的辐射图案集，以实现最佳系统性能。在系统的实现中应考虑这些方面。
实施例2-具有单集群的模拟mimo信道
本公开提供了系统的概念性发展及其扩展到更高阶mimo通信系统的基础。为了进行模拟，假定以单集群或双集群为特征的较简单的散射环境。因此，考虑了多种可控波束，并在这种mimo信道中研究了它们的有益效果。例如，通过假设具有单集群和双集群的mimo信道来分析2×2mimo通信系统，并对其进行模拟以演示系统的操作。
在具有单集群的mimo信道中，合理地充分利用传播环境中的可用子信道。因此，期望建立具有低相关性和高接收snr的两个空间信道。为了简化分析，考虑了模拟的超表面天线和与平均集群角φc＝0°(即宽边)对称的生成的可控波束。角度标准偏差假定为σφ＝20°。在实践中，集群是双向的，因此在发射器和接收器处，平均集群角和标准偏差是不同的。另外，通常在发射器和接收器处采用不同的天线配置。因此，发射和接收相关矩阵通常是不同的。但是，在这项工作中，假设发射器和接收器的相关矩阵是相同的(即rt＝rr)，因为分析用不同集群参数生成的相关矩阵的所有可能组合可能是不实际的。注意，希望研究集群的mimo信道中超表面天线使用并发波束的有益效果，而不是分析特定环境中的系统性能。
为了进行比较，考虑将具有相同孔径尺寸的两元件均匀线性阵列(ula)(即，两个无源半波长天线间隔3λ0)用于发射和接收天线。选择3λ0的间隔以提供高水平的分集。在此还应注意，ula在宽边方向上呈现最小的相关性(即φc＝0°)。使用半波长偶极子的远场公式来计算ula的辐射图案。
考虑了使用包括两个子孔径的有源相控阵的mimo通信系统，每个子孔径产生独立的、可重构的辐射图案。该系统中的子孔径是三元件ula，并且每个半波长偶极子都连接到移相器和功率放大器，以提供幅值和相位控制。子孔径中的偶极子之间的间距选择为0.6λ0，形成尺寸为1.2λ0×0.5λ0的子孔径。两个子孔径由两个不同的rf端口馈送，并且中心距为1.8λ0。以获得3λ0×0.5λ0的总孔径。为了产生期望的图案，采用凸优化方法来找到子孔径中的偶极子的最佳权重。在这项工作中，优化了天线的权重以最小化半功率波束宽度(hpbw)，并且计算出该系统中的子孔径的方向在宽边方向(即φ＝0°)为7.5dbi，在端射方向(即φ＝90°)为5.0dbi。提供了用于设计波束宽度和旁瓣电平的不同图案合成技术；但是，对于给定的阵列配置，依靠优化技术来导航可能接近最佳的解决方案，以实现高容量增益。值得注意的是，子孔径相控阵利用图案分集(通过独立的可重构图案)和空间分集(由空间上分离的两个子孔径提供)，而背腔式超表面天线则利用了由共享孔径提供的图案分集的优势。实施例5中说明了子孔径阵列的结构及其示例波束形状。
为了证明所公开的使用超表面天线的mimo通信系统的操作，根据等式1模拟了2×2窄带mimo通信系统。作为性能指标，对于每个δφ，使用等式2(和等式4)对信道矩阵的10,000个实现来计算平均信道容量，将δφ定义为转向角的差(即
图10a示出了作为δφ(ρ＝10db)的函数的mimo通信系统的平均容量，其中，kλ,ula的平均容量独立于ao，但是被绘制为线以与所公开的系统的容量进行比较。如图所示，容量随着δφ的增加而增加，直到当δφ＝16.2°时，达到最大值18.6[比特/sec/hz]，与ula的7.9[比特/sec/hz]相比，显示出显著增强。值得注意的是，当波束从平均集群角稍微偏移时，达到峰值容量。对于□φ>16.2°，由于旁瓣的影响，容量以较小的波动减小。对于子孔径阵列天线，可以观察到类似的行为，当δφ＝1.8°时，峰值容量为12.8[比特/sec/hz]。子孔径阵列系统的容量随着δφ的增加而减小，而当δφ>49.5°时，低于ula的容量。请注意，子孔径阵列天线系统可在很大的δφ范围内提供高容量；例如，在0°＜δφ＜33.3°时，维持为0.9的最大容量。但是，超表面天线系统提供的容量要高于子孔径阵列系统提供的容量。
图10b示出了作为ρ的函数的mimo通信系统的平均容量，其中假设单个集群(φc＝0°，σφ＝20°)。通过迭代模拟mimo信道的过程，将mimo通信系统的平均容量显示为ρ的函数。选择波束的转向角，以使系统可以达到最大容量；对于超曲面和子孔径阵列天线，分别为δφ＝16.2°，1.8°。对于扫描ρ，所公开的系统优于子孔径阵列系统和ula系统。在ρ的扫描范围内，ula系统需要ρ的约17db增量来实现由所公开的超表面系统提供的相似容量。类似地，子孔径阵列需要约9.5db的ρ增量来获得超表面系统提供的类似容量。
为了识别使用超表面天线的mimo通信系统中的容量增益的起源，比较了mimo通信系统的两种测量。首先，计算瞬时mimo信道矩阵的条件数，如下给出：
其中，λmax,λmin分别是mimo信道矩阵h的最大和最小奇异值。
图10c示出了每个mimo通信系统的信道矩阵的平均条件数，其中，kλ,ula的平均容量独立于ao，但是被绘制为线以与所公开的系统的那些进行比较。结果表明，所公开系统(kλ,ula)的平均kλ随着δφ的增加而减小，并达到由ula提供的平均kλ,ula＝4.5。已知kλ主要受空间相关性和los分量的影响。由于在此分析中假设nlos环境，因此此处的低均值kλ表示具有最佳转向角的多波束会降低空间相关性。因此，δφ＝0°时的平均kλ,meta的最大值暗示了超表面系统的子信道高度相关；高相关性是由于以下事实：在共享孔径配置中不提供空间分集，并且高度重叠的波束不提供图案分集。与超表面天线系统不同，子孔径阵列天线系统对扫描δφ提供较低的平均kλ,sub，并且其值接近kλ,ula(即kλ，sub≈kλ，ula)。针对δφ≠0°的低平均kλ,sub归因于子孔径阵列提供的图案分集和空间分集的组合。与超表面系统相反，针对δφ＝0°的平均kλ,sub可与kλ,ula相当，并且这是由于空间分集所致；虽然在这种情况下子孔径产生的波束高度重叠，但子孔径在空间上分开以提供空间分集。
第二，总信道功率的平均值(定义为
其中ph是超表面或子孔径阵列系统的瞬时信道矩阵的信道功率，而ph,ula系统的信道功率。
图10d示出了信道功率的平均增益。特别地，图10d示出了用于超表面和子孔径阵列天线的计算的平均gλ。如图所示，由于由共享孔径配置使波束具有更高的方向性，因此超表面系统在扫描δφ上提供了更高的平均值gλ。当对于超表面和子孔径系统，δφ分别＝0.9°，1.8°时，平均值gλ为最大值；并且随着δφ的增加而减小。对于δφ>49.5°，gλ,sub变为负值，这意味着与ula系统相比，接收snr的损失。另外，对于δφ＝16.2°的平均值gλ,meta总共对应于18.7db的接收snr增益，由发射和接收超表面天线获得的增益各为9.3db，如图10b中所讨论的。
应该注意的是，当平均gλ,meta为最大值(即δφ＝0.9°)时，不会出现图10a中的超表面系统的峰值容量。这是由于较高的平均kλ,meta所致，这表明波束需要从平均集群角φc＝0°稍微偏移才能获得最高的容量。请注意，超表面系统在7.2°<δφ<32.4°时提供高容量(例如最大容量0.9)，其中平均值gλ,meta高而平均值kλ,meta低。该结果证实了容量是由平均值kλ,meta和平均值gλ,meta共同确定的，其中每一个补偿另一个的损失。然而，基于不同的机制，子孔径阵列天线系统提供高容量；平均值gλ,sub在扫描δφ上保持低的，因此当达到高gλ,sub时可获得高容量。
这些分析表明，所公开的系统在集群mimo信道中的容量增益归因于通过多个可控波束实现低空间相关性和高接收snr。通过使用独立的波束缓解空间相关性，而通过控制这些波束中的每一个可以解决高snr问题。子孔径阵列天线可以产生这样的波束，但是由于使用多个较小的子孔径而提供较低的方向性，因此提供较小的容量增益。超表面天线系统的容量增益在使用低增益、全向天线的常规mimo通信系统中不可用。所公开的mimo通信系统不需要额外的发射功率来改善接收snr，因此，超表面天线是紧凑、可重构的mimo天线的有吸引力的解决方案。
还研究了集群的波束宽度和角展度对系统性能的影响。图11a和11b示出了所公开的mimo通信系统对于不同的半功率波束宽度(hpbw)的平均容量，其是δφ和角展度σφ的函数。图11a示出了具有单个集群的信道中的mimo通信系统的平均容量，其是δφ和角展度σφ的函数，其中，由模拟超表面天线生成的图案的半功率波束宽度为25.4°并且φc·＝00，假定ρ＝10db。图11b示出了具有单个集群的信道中的mimo通信系统的平均容量，其是δφ和角展度σφ的函数，其中由模拟超表面天线所产生的图案的半功率波束宽度为1.6.0°并且φc·＝00，假定ρ＝10db。
在这些计算中，以固定的φc＝0°生成10,000个信道，并应用瞬时容量公式，其中ρ＝10db。为了进行比较，还绘制了ula的平均容量，这表明容量随角展度σφ的增加而提高，这是以前的理论分析所期望的。然而，对于超表面，平均容量在δφ和σφ范围内变化，并且表明所公开的系统在δφ和σφ的较宽范围内提供更高的容量。特别是，当再次与7.9[比特/sec/hz]的ula结果相比时，每个hpbw的最大平均容量经计算分别为18.3[比特/sec/hz](当δφ＝10.8°，σφ＝11.9°时)和19.2[比特/sec/hz](当δφ＝16.2°，σφ＝10.9°时)。另外，对于固定的角展度σφ，所公开的系统的平均容量对于大的δφ降低。这种趋势证实，应调节波束的形状和方向，使得波束接收大部分传入信号的功率，以实现高容量。对于较大的δφ和较小的σφ(对于hpbw25.4°，16.9°，分别为σφ<14.8°，16.8°)，超表面系统的容量变得低于ula，这归因于低的snr增益，因为产生的波束转向远离平均集群角φc＝0°的方向。还应注意的是，通过超表面天线而具有较窄波束的系统比较宽波束的系统提供更高的容量，但该容量在δφ和σφ上显示出快速变化(参见图11a-11b中的等高线图)。这意味着可以针对高数据速率或更宽的覆盖范围来改变和调节波束宽度和转向角。
实施例3-具有双集群的模拟mimo信道
产生两个具有可变平均集群角(φc,1和φc,2)的集群，并分析系统性能。在该分析中，由16.9°超表面天线产生的波束的hpbw是固定的。假设两个独立的集群具有相同的角展度σφ,1＝σφ,2。由于集群是独立的，因此通过将两个扫描φc,1和φc,2的两个拉普拉斯分布相加生成pas；这里每个范围从-45°到45°。在rt＝rr的假设下，每对φc,1和φc,2产生10,000个信道。对于每个信道，假定ρ为10db以计算容量。
在这些模拟中，针对每对集群角搜索波束的最佳转向角以最大化容量。为了减少搜索时间，创建了查找表来关联|φc,1-φc,2|与最佳δφ。因此，查找表提供了最佳的δφ，可在给定的hpbw(在这种情况下为16.9°)和给定的角展度(σφ,1,σφ,2)上实现最大容量。
图12a示出了在具有双集群的信道中的公开的mimo通信系统的示例操作。所公开的系统将查找表用于具有双集群的mimo信道。出于演示目的，将波束的方向性pas(σφ,1＝σφ,2＝20°)的幅值进行归一化并以线性比例绘制在一起。如前所述，当φc,1＝φc,2＝1°时(即，有效地具有单集群的mimo信道)，波束从平均集群角度稍微偏移以最大化容量(图12b，顶部)。随着平均集群角的变化和分离，由超表面天线产生的每个波束在每个集群角处被紧密地转向(图12a，中间和底部)。为了更好地说明系统的操作，为图12a中的每组φc,1,φc,1计算平均容量。每种情况下的容量分别计算为18.1、16.6、15.9[位/秒/hz]。针对每组集群角计算性能指标；计算得出的平均值kλ分别为8.2、4.9、4.5，并且在每种情况下平均值gλ分别为18.6、14.3、13.0[db]。这些指标表明，当集群彼此接近时，需要用高平均值gλ补偿高平均值kλ以获得容量增益。当集群以角度分开时，低平均值kλ补偿低平均值gλ以提供容量增益。用于构造查找表的分析还表明，超表面系统可以通过将每个波束指向每个集群而不是将波束聚焦到一个集群等而实现高容量。
角展度设置为σφ,1＝σφ,2＝20°。超表面天线产生的波束在给定的平均集群角下被严格控制(顶部:φc,1＝φc,2＝1°,中间:φc,1＝-1°,φc,2＝45°,底部:φc,1＝-45°,φc,2＝45°)。方向性和pas在幅值上进行归一化，并一起绘制在线性比例图中。
图12b-c示出了当n(b)σφ,1＝σφ,2＝20°,并且(c)σφ,1＝σφ,2＝60°.时，具有双集群的mimo信道中的mimo通信系统的平均容量。用于公开的系统的相同数据显示为等高线图。超表面天线将每个波束的半功率波束宽度设置为16.9°。在这些模拟中，假定ρ＝10db。
如图12b和12c所示，所公开的系统相对于ula提供明显更高的容量；对于给定的角展度，在扫描的平均集群角上分别有2.1倍，1.9倍的平均增强。容量由于波束的旁瓣而在集群角度上波动，并且当集群彼此靠近时(即，φc,1≈φc,2)，出现最大容量。另外，容量随着平均集群角的增加而减小，并且这是由于有效孔径尺寸的减小所导致。另外，相比图12c，图12b的容量由于较小的角展度(即σc,1,σc,2)而迅速减小。对于ula系统，容量在扫描集群角上变化不大，这是系统提供的低空间相关性的结果。但是，容量在端射方向附近(即φc,1,φc,2≈±90°)显著降低，对于20°和60°的角展度，分别计算为6.8和7.7。
为了识别负责所公开的系统在mimo信道中的容量增益的机制，计算平均值kλ和平均值gλ。对于超表面和ula系统，图12b中,平均值kλ分别为8.5、4.7(最小值为4.2、4.1)，并且在图12c中，平均值kλ分别为6.5、4.5(最小值为4.2、4.1)，这表明空间相关性水平相当。对于发射器或接收器处的角展度，平均信道功率增益gλ对于图12b和12c分别为13.3db和11.6db。这些结果表明，与单集群情况一样，具有双集群的mimo信道中的高容量增益要求低相关性和高snr增益。在这一点上，应该注意的是，超表面天线的大量可控波束对于实现这些分析中的高容量增益至关重要。
实施例4-圆柱形柱的设计
圆柱形柱被设计用于模拟腔。由铜制成的圆柱形柱浸入包含介电材料(例如1.52mm厚的tmm13i)的波导中。图13a是用于嵌入电介质填充的波导中的圆柱形柱的模拟设置。圆柱形柱1304的顶视图和透视图在图13a中示出。x-z平面中的顶视图显示了柱直径的尺寸和孔径的尺寸。透视图示出了圆柱形柱1304沿着腔1300的边界定位并且沿着y方向从底板1309延伸到辐射层或顶板。
使用全波电磁求解器(cstmicrowavestudio)分析圆柱形柱1304。为了在波导的横向(x方向)上模拟无限长的圆柱形柱阵列，将理想的电导体边界分配给顶部1308和底部1309，并将理想的磁导体边界应用于侧面边界1302a-b。波导端口位于侧面边界1302a-b处并且用于激励结构，并计算s参数。在模拟中，设计参数(即沿x方向的柱直径r或尺寸l)分别为0.075mm和0.5mm。
图13b示出了s参数的幅值(顶部)和相位(底部)。如图所示，参考平面移动到与柱中心相交的平面。如图所示，|s11|非常接近0db，而|s21|在整个频率范围内保持低于-30db(小泄漏)。<s21计算为-179°，表明柱充当5.5-6.5ghz范围内的导电壁。
本公开提供了一种使用产生多个波束的可重构背腔式超表面天线的空间复用系统。与两元件ula相比，在集群mimo信道中，信道容量展示出显著提高。提供了示例性的超表面天线及其设计过程，以证明该天线可以在工作带宽内产生大量可控波束。虽然模拟了2×2mimo通信系统，但是可以将所公开的系统扩展到具有单极化/双极化配置的高阶系统。此外，假定数量相比于在6ghz以下信道中通常观察到的数量少的集群为系统提供概念上的发展，并且这项工作中的分析可以应用于具有多个集群的实际信道。
基础操作
本公开还提供了用于第一天线和第二天线之间的mimo通信的方法。图14示出了根据本公开的实施方案的用于通过mimo通信系统进行通信的方法。该方法可以包括在操作1402处从第一多个rf端口在第一天线的第一腔内产生馈送波。第一腔可以包括耦合到第一多个亚波长人工构造的材料元件的第一前板。多个第一rf端口耦合到后板。该方法还可以包括在操作1406中同时形成与第一多个rf端口相对应的多个辐射图案。该方法还可包括在操作1410中独立地调节多个超表面元件中的每一个以获得期望的辐射图案。传播环境在第一天线和第二天线之间可以包括多个集群区域。该方法还可包括在操作1414处形成从第一天线到第二天线的多个空间信道以形成通信链路。第二天线可包括第二腔和第二多个超表面元件。
鉴于由超表面天线提供的优点，观察到所公开的系统是用于低功率、带宽受限的小型小区网络的有前途的空间复用系统，所述小型小区网络需要高数据速率、低运营成本和高能量效率。还值得一提的是，具有独立可重构波形的超表面天线可用于在空分多址系统和大规模mimo通信系统中实现多路复用增益。
因此，本文所述的技术提供了用于利用背腔式超表面天线进行容量增强的mimo通信系统。尽管已经示出和描述了在包括集群区域的传播环境中在发射天线和接收天线之间提供空间信道的说明性实施方案，但是应当理解，可以在本文实施方案的精神和范围内做出各种其他改编和修改。例如，已经在本文中示出和描述了具有特定的开放腔系统配置或部件的实施方案。然而，如本领域技术人员所理解的，实施方案在其广义上不限于这样的配置或部件，并且实际上可以与任何数量的设备和类似配置一起使用。因此，应当理解，与一个实施方案相关联的特征、结构和操作可以适用于结合本公开的另一实施方案描述的特征、结构或操作或与其组合。另外，在许多情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使本公开的各方面不清楚。
本文引用的任何范围均包括端值。在整个说明书中使用的术语“基本上”和“约”用于描述和解释小的波动。例如，它们可以指小于或等于±5％，例如小于或等于±2％，例如小于或等于±1％，例如小于或等于±0.5％，例如小于或等于±0.2％，例如小于或等于±0.1％，例如小于或等于±0.05％。
已经描述了若干实施方案，但是本领域技术人员应认识到，在不脱离本发明的精神的情况下，可以使用各种修改方案、替代构造和等同方案。另外，为了避免不必要地使本发明难以理解，没有描述许多公知的过程和元件。因此，以上描述不应视为限制本发明的范围。
本领域的技术人员应理解，当前公开的实施方案以示例而非限制的方式教导。因此，以上描述中包含的或附图中所示的内容应解释为说明性的，而不是限制性的。所附权利要求书旨在覆盖本文所述的所有一般和特定特征，以及就语言而言，对本方法和系统的范围的所有陈述可被认为介于它们之间。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！