基于可重构超表面的天线设计方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于可重构超表面的天线设计方法、装置、设备及介质。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，未来无线网络对数据流量的需求急剧增长。为了满足快速增长的数据流量需求，毫米波技术被认为是一种很有前景的解决方案。由于毫米波具有波长短，空间传输衰减严重的特点，基于单天线的传输系统无法满足用户信号质量要求，需要采用密集基站部署和具有波束成形能力的大规模阵列天线以弥补毫米波信号增益。

目前的大规模阵列天线主要采用相控阵天线，但由于相控阵天线上每个单元都需要单独的射频电路模块以实现相位调制的功能，馈电网络结构复杂，随着工作频率上升，组成射频电路的相移器和功率放大器成本增加，导致毫米波相控阵天线价格昂贵。此外，由于相控阵天线射频电路所采用电子器件均为有源器件，能量损耗较大。因此，现有的相控阵天线不适用于需要大规模天线部署的毫米波通信网络。而随着可调谐超材料的快速发展，低成本和低功耗的可重构超表面(RIS)的出现为克服相控阵的不足提供了一个有前途的解决方案。但是以现有的设计RIS天线的技术，存在开发时间周期长或者是性能不好的缺陷。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于可重构超表面的天线设计方法、装置、设备及介质。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于可重构超表面的天线设计方法，包括：

根据天线结构参数与增益的关系构建数学模型；

求解所述数学模型，得到系统增益最大时的初始天线结构参数；

通过全波仿真，在所述初始天线结构参数预设范围内进行参数扫描，得到优化后的天线结构参数。

在一个实施例中，根据天线结构参数与增益的关系构建数学模型之前，还包括：

建立空间坐标系，所述可重构超表面位于XOY平面。

在一个实施例中，在所述初始天线结构参数预设范围内进行参数扫描，得到优化后的天线结构参数，包括：

获取初始天线结构参数；

将所述初始天线结构参数加减预设数值，得到天线结构参数扫描范围；

根据天线结构参数扫描范围，得到多个预设范围内的天线结构参数，根据多个预设范围内的天线结构参数执行全波仿真，将系统增益最大的天线结构参数作为优化后的天线结构参数。

在一个实施例中，得到优化后的天线结构参数之后，还包括：

根据优化后的天线结构参数计算系统增益；

判断计算的系统增益是否大于等于预设增益阈值；

若计算的系统增益大于等于预设增益阈值，确定优化后的天线结构参数满足要求。

在一个实施例中，确定优化后的天线结构参数满足要求之后，还包括：

根据优化后的天线结构参数设置天线系统。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于可重构超表面的天线设计装置，包括：

模型构建模块，用于根据天线结构参数与增益的关系构建数学模型；

第一计算模块，用于求解所述数学模型，得到系统增益最大时的初始天线结构参数；

第二计算模块，用于通过全波仿真，在所述初始天线结构参数预设范围内进行参数扫描，得到优化后的天线结构参数。

在一个实施例中，还包括：

校验模块，用于根据优化后的天线结构参数计算系统增益；

判断计算的系统增益是否大于等于预设增益阈值；

若计算的系统增益大于等于预设增益阈值，确定优化后的天线结构参数满足要求。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括处理器和存储有程序指令的存储器，处理器被配置为在执行程序指令时，执行上述实施例提供的基于可重构超表面的天线设计方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行以实现上述实施例提供的一种基于可重构超表面的天线设计方法。

本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请实施例提供的可重构超表面的天线设计方法，先根据天线系统参数与增益的关系，构建一个最优化问题，然后通过数值计算的方法对天线结构参数进行优化求解，得到初始天线结构参数，再利用全波仿真软件，在这个数值解周围进行参数扫描，并选取最优值作为最终的结果。本申请的方法可以极大减少优化所需时间，这是因为数值优化花费的时间不多，而后全波仿真时，也只需要在数值优化解附近搜索即可，极大缩小状态空间；同时，将数值计算与全波优化结合，还能达到良好的性能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于可重构超表面的天线设计方法的流程示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于可重构超表面的天线设计方法示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种基于可重构超表面的天线系统示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种基于可重构超表面的天线设计装置的结构示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的结构示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种计算机存储介质的示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统和方法的例子。

目前，现有的相控阵天线不适用于需要大规模天线部署的毫米波通信网络。随着可调谐超材料的快速发展，低成本和轻形化的可重构超表面(RIS)的出现为克服相控阵的不足提供了一个有前途的解决方案。相比相控阵天线，超表面天线只需采用简单的控制电路即可改变天线方向图，降低了天线设计生产成本。RIS无需耗电移相电路，仅靠功率极低的二极管就可以实现波束调控，可以大大节省天线制造成本以及功率损耗。

随着各类超材料天线的出现，产品的展示形态越来越丰富，天线作为通信系统的重要部分，其工作性能对于系统的总体性能来说至关重要。目前，现有的可重构超表面天线结构的设计方法，包括采用全波仿真软件对超表面单元数量、单元间距、馈源的入射角度进行参数扫描，从而找到能够优化天线带宽的最优结构参数。但是待设计的超表面结构参数多，取值范围大，导致状态空间大，且全波仿真可重构超表面天线结构参数每一组取值所需的时间长，所以花费时间过多，无法接受。包括利用数值计算软件计算出最优相位配置，提高天线的辐射性能，但是使用的模型和可重构超表面天线的实际辐射是有误差的，所以在数值计算软件里用算法得到的解并不是实际的最优解，导致RIS天线性能无法满足要求。

基于此，本申请实施例提供了一种基于可重构超表面的天线设计方法，下面将结合附图1对本申请实施例提供的基于可重构超表面的天线设计方法进行详细介绍。参见图1，该方法具体包括以下步骤。

S101根据天线结构参数与增益的关系构建数学模型。

图3是根据一示例性实施例示出的一种基于可重构超表面的天线系统示意图，如图3所示，天线系统包括天线支架、智能超表面、控制电路以及馈源，可重构超表面由32*32个单元周期性排列组成超表面阵列，控制电路作为阵列的一部分固定在天线支架上，馈源也安装在天线支架上。

本申请实施例以通过设计馈源的位置从而优化天线的增益为例进行说明，通过优化馈源的位置使得天线的增益不低于预设阈值，在一个示例性实施例中，阈值为22dBi，使得天线的增益不低于22dBi。

具体地，先建立空间坐标系，可重构超表面位于XOY平面，垂直超表面的轴是Z轴，馈源位于OYZ平面内的一点处。

进一步地，基于可重构超表面天线的辐射模型，构建一个最优化问题。例如，构建天线结构参数如馈源位置、可重构超表面阵列的大小等参数与增益的关系，构建的数学模型如下所示：

其中，r

根据该步骤，可根据天线系统中馈源位置与增益的关系构建数学模型。

S102求解数学模型，得到系统增益最大时的初始天线结构参数。

得到构建的数学模型之后，在MATLAB软件中，利用遗传算法求解数学模型，得到系统增益最大时的初始馈源位置。在一个实施例中，通过对数学模型进行求解，得到馈源的初始位置(0,80mm,153mm)。

可选地，本领域技术人员也可以采用其他软件或其他算法进行求解，例如基于深度学习的算法、蚁群算法等，本申请实施例对模型的具体求解方法不做限定。

S103通过全波仿真，在初始天线结构参数预设范围内进行参数扫描，得到优化后的天线结构参数。

因为使用的数学模型和可重构超表面天线的实际辐射是有误差的，所以在数值计算软件里用算法得到的解并不是实际的最优解，导致可重构超表面天线性能无法满足要求。基于此，得到初始馈源位置之后，通过全波仿真，在初始馈源位置预设范围内进行参数扫描，得到优化后的馈源位置。

在一个可选地实施例中，在初始馈源位置预设范围内进行参数扫描，得到优化后的馈源位置，包括：获取初始馈源位置的Y轴坐标以及Z轴坐标；根据Y轴坐标以及Z轴坐标加减预设数值，得到Y轴坐标扫描范围以及Z轴坐标扫描范围；根据Y轴坐标扫描范围以及Z轴坐标扫描范围，得到多个预设范围内的馈源位置，根据多个预设范围内的馈源位置执行全波仿真，将系统增益最大的馈源位置作为优化后的馈源位置。

具体地，获取馈源的初始位置(0,80mm,153mm)，因为X轴坐标固定为0，因此，仅在Y轴坐标和Z轴坐标附近扫描，根据Y轴坐标以及Z轴坐标加减预设数值，得到Y轴坐标扫描范围以及Z轴坐标扫描范围，例如，Y轴坐标为80mm，加减5mm得到Y轴坐标的范围为[75mm,85mm]，为了避免馈源反射波束的遮挡，馈源的高度应该大于等于阵列上表面高度，修正后的Y轴坐标的范围为

[80mm,85mm]。z坐标的扫描范围为[148mm,158mm]。根据Y轴坐标扫描范围以及Z轴坐标扫描范围，得到多个预设范围内的馈源位置，例如，(0,80mm,148mm)、(0,80mm,149mm)、(0,80mm,150mm)、(0,80mm,151mm)、(0,80mm,152mm)、(0,80mm,153mm)、(0,80mm,154mm)、(0,81mm,153mm)、(0,82mm,153mm)等等。

进一步地，根据多个预设范围内的馈源位置执行全波仿真，将系统增益最大的馈源位置作为优化后的馈源位置。将得到的多个馈源位置依次输入三维全波电磁场仿真软件CST进行全波仿真，计算每个坐标对应的系统增益，将系统增益最大的位置作为优化后的馈源位置。最终优化出的位置为(0,82mm,150mm)，对应的增益为22.5dBi，满足要求。

在一个可选地实施例中，得到优化后的馈源位置之后，还包括：根据优化后的馈源位置计算系统增益，判断计算的系统增益是否大于等于预设增益阈值，若计算的系统增益大于等于预设增益阈值，确定优化后的馈源位置满足要求。

进一步地，控制馈源移动到优化后的馈源位置，在一个示例性实施例中，最终优化出的位置为(0,82mm,150mm)，对应的增益为22.5dBi，大于预设阈值22dBi，满足要求，控制馈源移动到(0,82mm,150mm)处。

根据该步骤，可得到优化后的馈源位置，根据优化后的馈源位置设置天线结构，能够保证天线系统高增益的要求。

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于可重构超表面的天线设计方法示意图，如图2所示，先基于RIS天线的辐射模型，构建一个待优化变量与待优化目标之间的最优化问题。进一步地，在数值计算软件中，利用最优化算法对该最优化问题求解。求得的数值解作为初始点，利用全波仿真软件，在这个数值解周围进行参数扫描，并选取最优值作为最终的结果。

本申请实施例提供的天线结构参数的优化方法，还可以优化其它的结构参数，比如说天线的尺寸，馈源的增益等等。通过构建其他结构参数与系统增益的数学模型，得到求解的初始值，然后在初始值附近进行全波仿真，得到最优的结构参数。

本申请实施例提供的优化设计方法，相比全靠全波仿真扫描参数的方法，本申请的方法可以极大减少优化所需时间。由于数值优化花费的时间不多，而之后全波仿真时，也只需要在数值优化解附近搜索就行，极大缩小状态空间，所以全波仿真的时间极大缩短了。相比仅用数值计算软件快速优化的方法，本申请的方法可以进一步提升性能从而满足指标要求，因为纯数值计算得到的不是实际的最优解。而本申请的方法在数值仿真后，还结合了全波仿真扫参，就能够保证结果的最优性，从而进一步提升了优化效果。

本申请实施例还提供一种基于可重构超表面的天线设计装置，该装置用于执行上述实施例的基于可重构超表面的天线设计方法，如图4所示，该装置包括：

模型构建模块401，用于根据天线结构参数与增益的关系构建数学模型；

第一计算模块402，用于求解数学模型，得到系统增益最大时的初始天线结构参数；

第二计算模块403，用于通过全波仿真，在初始天线结构参数预设范围内进行参数扫描，得到优化后的天线结构参数。

在一个实施例中，还包括：

校验模块，用于根据优化后的天线结构参数计算系统增益；

判断计算的系统增益是否大于等于预设增益阈值；

若计算的系统增益大于等于预设增益阈值，确定优化后的天线结构参数满足要求。

需要说明的是，上述实施例提供的基于可重构超表面的天线设计装置在执行基于可重构超表面的天线设计方法时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的基于可重构超表面的天线设计装置与基于可重构超表面的天线设计方法实施例属于同一构思，其体现实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本申请实施例还提供一种与前述实施例所提供的基于可重构超表面的天线设计方法对应的电子设备，以执行上述基于可重构超表面的天线设计方法。

请参考图5，其示出了本申请的一些实施例所提供的一种电子设备的示意图。如图5所示，电子设备包括：处理器500，存储器501，总线502和通信接口503，处理器500、通信接口503和存储器501通过总线502连接；存储器501中存储有可在处理器500上运行的计算机程序，处理器500运行计算机程序时执行本申请前述任一实施例所提供的基于可重构超表面的天线设计方法。

其中，存储器501可能包含高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口503(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网、广域网、本地网、城域网等。

总线502可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。其中，存储器501用于存储程序，处理器500在接收到执行指令后，执行程序，前述本申请实施例任一实施方式揭示的基于可重构超表面的天线设计方法可以应用于处理器500中，或者由处理器500实现。

处理器500可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器500中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器500可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器501，处理器500读取存储器501中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

本申请实施例提供的电子设备与本申请实施例提供的基于可重构超表面的天线设计方法出于相同的发明构思，具有与其采用、运行或实现的方法相同的有益效果。

本申请实施例还提供一种与前述实施例所提供的基于可重构超表面的天线设计方法对应的计算机可读存储介质，请参考图6，其示出的计算机可读存储介质为光盘600，其上存储有计算机程序(即程序产品)，计算机程序在被处理器运行时，会执行前述任意实施例所提供的基于可重构超表面的天线设计方法。

需要说明的是，计算机可读存储介质的例子还可以包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他光学、磁性存储介质，在此不再一一赘述。

本申请的上述实施例提供的计算机可读存储介质与本申请实施例提供的基于可重构超表面的天线设计方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。