毫米波智能电磁表面在近场通信中的设计与系统实现：端到端链路评估

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Smart Electromagnetic Skin for Near-Field mmWave Communications: Design, System Implementation, and End-to-End Link Evaluation

本文针对毫米波通信中的静态盲区问题，提出了一种基于智能电磁表面（SES）的被动解决方案。研究团队设计并制备了模拟基站的高增益反射超表面天线和用于覆盖扩展的SES，通过考虑实际近场照射条件和单元相位限制，实现了对盲区的有效覆盖。实验结果表明，该SES在室内场景下能够稳定生成近场覆盖，并通过软件定义无线电（SDR）平台验证了端到端通信链路的可行性，误差矢量幅度（EVM）和符号错误率（SER）测量结果证明了其在毫米波近场通信中的优异性能。这项工作为未来智能环境中低成本、高可靠的覆盖扩展提供了重要技术支撑。

　　

随着第五代移动通信系统在全球范围内的部署，毫米波频段因其大带宽特性成为提升传输速率的关键。然而，高频信号固有的高路径损耗和穿透能力差等问题，在复杂室内环境中尤为突出。当用户设备与基站之间存在物理遮挡时，容易形成信号盲区，导致通信中断。传统解决方案如增加基站密度或使用有源中继器，虽能改善覆盖，但面临功耗高、成本大、部署复杂等挑战。

近年来，可重构智能表面（RIS）技术被视为解决上述难题的新途径。这类表面能够动态调控电磁波传播环境，增强信号覆盖。其中，完全被动式的智能电磁表面（SES）因其无需供电、无需复杂信号处理等优势，在应对静态盲区场景中展现出巨大潜力。特别是在室内环境，基站与用户之间的距离通常处于天线近场区域，这对SES的设计提出了特殊要求。然而，现有研究多基于远场平面波假设，难以直接应用于近场条件。此外，为实现低成本部署，SES单元结构通常较为简单，其相位调控能力可能受限，这进一步增加了近场波束成形的难度。

在此背景下，由Alvaro F. Vaquero等人组成的研究团队在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》上发表了他们的最新研究成果。该工作致力于设计和验证一种用于毫米波近场通信的SES，重点解决了在真实室内场景下，如何利用相位调控范围有限的低成本单元结构，实现对静态盲区的有效覆盖。

为开展研究，作者团队主要采用了以下几项关键技术方法：首先，利用谱域矩量法（MoM-SD）对单层贴片型单元结构进行电磁响应分析，明确了其相位调控能力（约270°）。其次，设计并制作了用于模拟基站的大口径反射超表面天线（400 mm × 400 mm），通过近远场变换验证了其高增益（约32.4 dBi）和方向性。接着，提出了改进的Intersection Approach相位合成算法，该算法将单元相位限制作为约束条件直接融入优化过程，并基于物理光学（PO）近似计算金属板的反射场作为对比基准。最后，搭建了包含通用软件无线电外设（USRP）、混频器、功率放大器等部件的完整射频链测试平台，通过测量误差矢量幅度（EVM）和符号错误率（SER）对端到端通信链路性能进行定量评估。

II. 室内场景与单元拓扑

研究设定了一个典型的室内盲区场景。一个工作在FR2频段的室内基站通过高定向性波束与SES建立视距（LOS）链路，但目标区域（盲区）处于非视距（NLOS）状态。SES通过捕获基站辐射的能量并将其重新导向盲区，从而扩展覆盖。SES和基站天线均采用基于单层介质（DiClad 880）的贴片型单元结构，该结构成本低且能独立调控两个正交线极化波的相位。单元分析结果表明，其在所关注的入射角范围内反射损耗优于-0.4 dB，相位变化接近300°，具有良好的角度稳定性。

III. 作为高增益基站的反射超表面

为模拟基站天线，研究团队设计了一个物理尺寸为400 mm × 400 mm（约32.34λ₀ × 32.34λ₀）的反射超表面，由81 × 81个单元组成。该表面由一款增益为15 dBi的喇叭天线馈电，通过几何光学法计算并赋形相位分布，使其产生指向SES中心的高定向性波束（方位角-52°，下倾角4.5°）。全波仿真和暗室测量结果显示，该天线在24.45 GHz中心频率处的峰值增益达到32.4 dBi，波束形状良好，副瓣电平较低，交叉极化鉴别度（XPD）优于17 dB，成功复现了基站天线的辐射特性。

IV. 金属板作为被动解决方案

作为SES的对比基准，研究评估了同等尺寸金属板的性能。利用物理光学（PO）近似计算其反射场分布。结果表明，金属板仅能将入射波沿镜面方向反射，产生的波束宽度非常窄（约±1°），且无法覆盖盲区所需的整个角度范围（仰角±3°，方位角±5°）。这凸显了简单金属反射器在覆盖扩展应用中的局限性。

V. 用于覆盖改进的智能电磁皮肤

SES的设计是本研究的核心。研究团队采用改进的广义Intersection Approach进行相位合成。该方法的创新之处在于：1) 使用基站产生的实际近场照射分布，而非理想的平面波近似；2) 在合成过程中通过引入投影算子G，显式地考虑了单元拓扑相位范围不足360°（约270°）的物理限制。合成目标是在盲区区域（距离SES约4.6米处）产生幅度起伏小于1.5 dB的均匀近场分布。合成得到的相位分布通过牛顿-拉夫逊算法映射到单元贴片尺寸上，平均相位误差低于0.2°。数值模拟结果显示，SES成功地将能量重新导向目标方向，并在盲区生成了均匀的角分布，完全覆盖了指定区域。

VI. 实验验证：金属板与智能电磁皮肤

在真实的室内环境中搭建了测量系统，对SES和金属板的性能进行了对比实验。测量在覆盖区域（NLOS区域）的一个1 m × 1.6 m平面上进行，使用矢量网络分析仪（PNA-X）直接测量传输系数。实验结果与数值模拟高度吻合。在中心频率24.45 GHz上，SES在合成平面（z' = 4.6 m）上产生了高度均匀的近场分布（峰峰值起伏小），并且这种稳定性在合成平面之外的区域（最远至z' = 5.6 m）依然得以保持。在24.25 GHz和24.65 GHz两个边频上的测量也显示了良好的带内稳健性。相比之下，金属板仅产生了一个狭窄的镜面反射波束，其覆盖范围远小于SES，且波束指向随频率发生偏移（波束斜视）。

VII. 近场通信链路评估

为了超越传统的电磁性能表征，研究进一步构建了一个端到端的近场通信（NFC）链路测试平台。该平台基于两台USRP N210软件定义无线电设备，结合商用混频器和功率放大器，将工作频率上变频至24.45 GHz。通信链路采用单载波架构，通过频分复用（FDMA）方式在400 MHz带宽内划分出50个子信道（每个子信道带宽6.5 MHz）。信号处理在GNU Radio环境中实现，包括基于循环冗余校验（CRC32）的实时符号错误率（SER）测量。研究人员在SES覆盖区域内测量了QPSK、16-QAM和64-QAM等调制格式的误差矢量幅度（EVM）和SER。结果表明，在SES覆盖的中心区域（P_design），64-QAM调制的下行链路EVM可达-29.9 dB，SER低于10^-5；即使在覆盖边缘（P_aperture），64-QAM的EVM仍为-27.5 dB，SER低于10^-4，足以支持可靠的通信。上行链路性能略差于下行链路（EVM恶化0.5-1.5 dB），主要归因于硬件链路的非互易性。相比之下，使用金属板时，在可比位置仅能支持QPSK调制（EVM为-13.2 dB）。计算表明，采用64-QAM调制时，该系统在400 MHz带宽内的总吞吐量可达1.5 Gbps。

本研究成功设计、制备并实验验证了一种用于毫米波近场通信的智能电磁表面（SES）。该工作的重要贡献在于，它提出了一种切实可行的设计方法，能够在单元相位调控能力受限（不足一个完整相位周期）的条件下，有效合成满足近场覆盖要求的SES。实验结果表明，所设计的SES在真实室内环境中能够稳定地扩展覆盖，显著优于简单的金属板反射器。更重要的是，研究通过构建完整的端到端通信链路，并利用EVM和SER等数字通信指标进行性能评估，不仅验证了SES的电磁性能，更从系统层面证明了毫米波近场通信（而不仅仅是短距离通信）在实际环境中的可行性。这项研究为未来智能环境中低成本、被动式覆盖扩展解决方案的开发提供了重要的理论依据、设计方法和实验支撑，标志着向实现可靠近场覆盖的新一代无线系统迈出了坚实的一步。