可重构智能表面与卫星通信的未来

可重构智能表面，或称 RIS，处于现代无线工程领域最富有趣味性的交叉点之一。它结合了超材料、电磁(EM)设计、信号处理和高性能计算等技术，而这一切都是为了实现一个看似简单的目标:你能够利用一块扁平、低功耗的面板，使其展现出类似可操控天线的性能。这一潜力正是RIS与卫星通信领域紧密相关的原因所在。低地球轨道(LEO)星座如今已成为现实，地面终端被要求以更小的封装实现更多功能，而6G也正逐渐崭露头角。RIS正从研究论文向实际天线系统发展，而模拟则是实现这一转变的桥梁。为了探究这项技术目前的现状，达索系统高科技产业赋能总监乔纳森·奥克利与全球高科技产业高级专家罗德里戈·恩久坐下来，共同探讨其中的物理原理、模拟工作流程以及未来的发展。

 

设定场景:什么是可重构智能表面?

乔纳森:RIS目前正受到广泛关注，但这个术语对不同的人来说有着不同的含义。您能描述一下在卫星通信的背景下，可重构智能表面究竟是什么，以及为什么业界现在对它感兴趣吗?

 

罗德里戈:可重构智能表面是一种元表面，属于一种人造材料。其显著特点是我们可以对其行为进行工程设计，并能主动控制它如何与入射的电磁波发生相互作用。

 

该行业目前之所以引起关注，是因为我们终于拥有了能够实现规模化生产此类面板的制造技术。如今，将其应用于实际应用的时机已经成熟，例如用于卫星通信的地面终端。

 

 

从RIS辐射的光束。

 

SATCOM问题RIS解决

乔纳森:在现代卫星通信系统(尤其是低地球轨道星座或地面终端系统)中，信号传播或覆盖方面存在哪些挑战，使得RIS技术真正成为一种实用技术，而非学术上的新奇事物?

 

罗德里戈:如果你想控制天线的辐射方向，传统上有两种策略。

 

第一种是安装在一个机械万向架上的大型反射器系统:。你可以通过实际转动天线来调整光束方向。由于只有一个反射器会向所需方向倾斜，因此你的操作仅限于发射单一光束。

 

第二种策略是phased array(相控阵)。你使用带有更小辐射器的采样孔径，每个辐射器都拥有自己的发射和接收链。你可以控制每个元件的辐射方式，并使它们的贡献在所需方向上形成有建设性的干扰。凭借众多的通道，理论上你能够支持与拥有有效元件数量相等的多个波束，从而能够同时追踪多个目标。这对于低地球轨道(LEO)星座而言至关重要，因为卫星在天空中不断移动。你需要对其进行追踪，并且理想情况下还应具备一个已指向下一颗卫星的辅助波束，以便实现平稳的切换。

 

相控阵技术的缺点在于其复杂性和功耗。所有这些发射和接收链路的叠加会带来问题。FRIS则提供了一种不同的解决方案。它不使用有源天线元件来离散孔径，而是用“被动单元来离散孔径，这些单元能够反射来自馈源的入射波。

 

这意味着你或许可以从天线发射器开始，逐步减少到几根天线，同时保持所需的波束形成特性。这会导致功耗降低、外形减小。而且一旦设计好表面结构，它就能根据置于其前方的任何馈源调整自身的响应。它是一种软件定义的波束形成器。

 

RIS的物理工作原理

乔纳森:从硬件层面来看，表面究竟发生了什么?单个单元细胞是如何与传入的电磁波相互作用的?又是什么赋予了表面“智能”呢?

 

罗德里戈:表面通过调节入射波反射相位分布来工作。每个独立单元，每个像素，本地控制反射相位的外观。

 

我们可以通过不同的方式来实现这一点。PIN二极管、变容二极管、晶体管、MEMS开关、液晶等。PIN二极管和开关目前可能是应用最为广泛的器件。面板的智能。性源于我们如何控制每个单元、每个单元如何切换以及每个单元如何设定其局部反射相位。

 

乔纳森:那么，入射波实际上来自哪里?

罗德里戈:它可能来自不同的地方。最传统的布局会取代传统的反射阵列。RIS是一个平板结构，其上放置有号角天线或其他辐射器，而辐射会像正常的反射系统一样从面板上反射出去。馈电方式也可以采用其他方式。关键在于面板本身并不在意，它只是对施加在它上面的任何波形进行调制。

 

模拟挑战

乔纳森:设计一种能够在单元单元级别操纵电磁波的设备，覆盖一个可能包含数千个元件的结构，这听起来在计算上要求很高。那么，模拟RIS与模拟传统天线或反射器有何不同之处呢?

 

罗德里戈:答案有两点。一是要模拟单元格本身所面临的挑战，二是要解决包含数千个元素的整个面板所面临的挑战。

 

对于传统反射器，甚至传统的相控阵天线，我们已有非常成熟的仿真方法。而对于RIS，目前尚缺乏成熟的仿真流程。

 

在单元单元侧，首要任务是找到一个合适的单元。你既希望相位稳定，又希望在整个感兴趣的频带上损失较低。这听上去简单。但在实际操作中却颇为困难。如果我们采用1位相位分辨率的RIS，直觉上可能会认为:“我会通过一个开关将延迟线加载到单元中，当开关打开时，就能获得180度的相位补偿。”从概念上讲，这是正确的。但难点在于如何保持这种180度的相位差在整个频带上保持稳定，同时还要受到单元尺寸、元件数量以及安装条件的限制。并非所有初始设计在加载时都能提供这种稳定性。

 

第二部分是波束形成。通过使用相控阵天线，可以计算。每个单元的振幅和相位，从而利用既定方法实现目标波束形状。而借助反射面时，则会有更多变量参与进来。馈电点的辐射特性至关重要。每个像素所能呈现的状态集是有限的。馈电点与面板之间的距离也起着重要作用。不存在闭合形式的计算方法。你需要进行优化。

 

实践中的工具

乔纳森:当你为特定的卫星通信场景优化RIS设计时该仿真工作流实际上是什么样的?你使用了哪些工具和方法，它们是如何连接的?

 

罗德里戈:第一步是单元电池。我们综合运用实验设计方法来探索未加载电池状态的参数设计空间，同时针对我们所关注的加载状态设计了一个优化循环。

 

在实践中，这意味着利用Process Composer来编排CST Studio Suite对单元晶格的模拟。DOE循环会遍历基板特性、几何特征、单元晶格尺寸等参数。针对每个候选方案，我们随后会检查一旦加载延迟线后，该晶格是否能在整个频带上实现稳定的相位反射和低损耗特性。基于这一筛选结果，我们选取最佳设计方案。

 

对于整个团队而言，我们需切换工具。接下来我们将转向一种工作流程，该流程在后台使用了WASPNet技术。WASP Net是SIMULIA产品组合中专门用于电磁领域的软件之一，最初是为处理诸如反射器系统、槽波导天线等极为复杂的电气问题而设计的。我们近期在WASPNet内增加了一个专门的求解器，专门用于处理RIS问题。

 

借助此工具，我们可以模拟面板与真实信息流(在我们的示例中为喇叭天线)之间的交互过程，以及每个像素状态如何影响反射波。一块拥有一千个脉冲单元、具备一定数量相位分辨率比特的面板，仅需数秒便可在笔记本电脑上运行。

 

建立模拟数据的信心

乔纳森:在进入生产前，我们如何建立对模拟数据的信心2”

 

罗德里戈:第一步是进行数值验证。我们很幸运在SIMULIA拥有一系列可供选择的求解器。其中一些在完整面板规模的运算中运行速度较慢。但它们的优势在于能够让我们加载一个未作任何简化的完整波束形成器模型，并运行一个特定的场景，即一个特定的相位分布。

 

接着，我们将这些结果与我们在WASPNet中运行的快速方法进行比较。两种截然不同的数值算法、两种不同的网格划分方式以及两种不同的模型构建策略。当曲线彼此重合时，这正是我们建立信心的方式。

 

这种交叉验证方法尤为重要，因为单元格法本身便包含了一些假设。我们假定每个单元格都是完全相同的，周围被无限数量的相同邻居环绕，且均处于相同状态。但在实际的RIS中，这一假设并不完全成立。不同像素所处的状态各不相同。更准确地说，RIS是一种准周期性结构。通过验证步骤以及围绕单元格进行的优化循环，我们得以确保这一假设的合理性。

 

 

1位相位分辨率42X42 RIS显示像素控制示例。

 

仿真仍存在不足之处

乔纳森:目前EM仿真在RIS设计中的局限性是什么?是否存在物理效应、环境因素或系统级交互，这些在今天难以捕捉?

 

罗德里戈:有几点需要注意。我刚才所描述的单元细胞技术有其前提条件(一个无限、均匀激发且呈周期性分布的环境)，但这一前提并不完全适用于实际的RIS系统。这是我们需要牢记的一个局限性，也是验证工作之所以重要的一个原因。

 

另一个重大挑战在于系统层面的集成。客户正朝着真正低剖面天线、极薄封装的方向发展，其中馈电装置、RIS和天线元件都堆叠成一个紧凑的地面终端。目前这很难进行端到端的模型模拟。我们可以很好地将RIS模拟为对传统反射阵列的替代方案。但我们目前还无法模拟出客户所设想的每一种集成堆叠方式。我们正在努力解决这一问题，并期望能在未来一年内填补这一差距。

 

结束语

从这场对话中可以明显看出，RIS在很大程度上仍是一个模拟问题。硬件概念设计得颇为精妙。波物理学的原理也颇具吸引力。然而，关键在于能够设计出单元结构、将其与完整的物理原理进行验证，然后能够以足够快的速度驱动数以千计的像素波束成形优化，从而真正实现迭代。这种组合使RIS从一种巧妙的表面技术转变为可用于下一代卫星通信和6G天线领域的实用构件。

 

资料来源：达索官方