非周期多原子1比特可重构被动电磁表面在140 GHz的合成与性能验证

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：On the Synthesis of Aperiodic Multi-Atom 1-Bit Reconfigurable Passive EMSs at 140 GHz

为解决1比特可重构智能表面(RIS)因相位量化误差导致的量化瓣(QLL)和旁瓣(SLL)恶化问题，研究人员开展了基于多原子单比特(MASB)架构的非周期可重构被动电磁表面(RP-EMS)研究。通过整数编码进化算法联合优化原子排布与1比特开关状态，在140 GHz频段实现了15°、30°、45°波束偏转，QLL低于-10 dB，SLL优于-10 dB，3 dB增益带宽超11%，验证了硬件简化且性能优越的1比特RIS新范式。

　　

在第六代移动通信(6G)技术发展的浪潮中，智能电磁环境(SEME)被视为提升无线网络覆盖与服务质量的关键支柱。可重构智能表面(RIS)或称为可重构被动电磁表面(RP-EMS)作为实现SEME的核心器件，能够通过动态调控电磁波的反射特性，将传统上对无线传播不友好的环境转变为用户可控制的智能空间。然而，高性能RP-EMS通常需要复杂的多比特控制架构，导致成本和功耗居高不下。为平衡性能与成本，1比特RP-EMS应运而生，但其仅能提供0°和180°两种相位状态，强烈的周期性相位量化误差会引发显著的量化瓣和较高的旁瓣，严重制约了其在毫米波频段的实用化进程。

针对这一瓶颈问题，由Taeyoung Kim、Francesco Zardi、Sangjo Choi及Giacomo Oliveri等学者组成的国际合作团队在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》上发表了创新性研究成果。他们提出了一种名为多原子单比特(MASB)的新型RP-EMS架构，旨在仅使用1比特控制的前提下，实现对单个反射波束的精准支持，并有效抑制不期望的量化瓣和旁瓣。

为实现这一目标，研究人员首先设计了一套核心的MASB单元。他们采用了一种孔径耦合贴片结构作为基础拓扑（图1），通过精密调整传输线长度等参数，成功设计了M=4种不同的meta-atom。每种原子在其ON和OFF状态下能提供近似180°的相位差，而不同原子在相同状态下的相位则间隔约45°，从而在1比特控制下实现了更精细的等效相位覆盖。这种设计还通过引入接地过孔和缝隙地平面间隙等措施，有效降低了单元间的互耦，保证了相位响应的线性度和稳定性。

关键技术方法包括：1) 采用整数编码进化算法同步优化30×30阵列中静态的原子类型分布（A）和动态的N种电子开关配置（C_n），以最小化反射场与目标场（15°, 30°, 45°偏转）的差异；2) 基于局部周期性近似和Love等效原理进行远场反射模式建模；3) 利用参数化分析优化孔径耦合贴片式meta-atom的传输线长度，以实现线性化的相位响应和宽带宽特性；4) 在140 GHz频段加工并测试了大型（3.14×3.14 cm²）MASB原型，使用矢量网络分析仪和辐射方向图测量系统验证性能。

III. MASB设计与数值验证

A. Meta Atom设计与描述符

研究团队成功设计了M=4种MASB meta-atom。如图3所示，每种原子在140 GHz下均能实现ON和OFF状态间约180°的相位跳变，且不同原子间相位间隔约45°。反射系数幅度(|\Gamma|)在-0.59 dB以上，表明阻抗匹配良好，反射损耗低。

B. 通过传输线长度参数分析实现相位线性化

通过系统分析传输线长度对反射系数相位和幅度的影响（图2），研究人员确定了能产生最线性相位变化的贴片尺寸（l_patch=0.49 mm）。这种线性化设计增强了结构对制造公差的鲁棒性。图4显示了优化后MAs在120-160 GHz频带内的宽频带特性，在140 GHz处相位间隔稳定在45°左右，且|\Gamma| > -1 dB。

C. MASB布局设计与全波验证

利用进化算法优化得到的30×30 MASB布局（图5）呈现出非周期性的原子分布（A^opt）和对应的电子开关配置（C_n^opt，n=1,2,3对应15°, 30°, 45°偏转，图6）。这种非周期性有效打破了周期性相位量化误差分布，是抑制量化瓣的关键。

全波仿真结果（图8）证实，在三种功能下，主波束均能准确指向目标角度，且无栅瓣出现。旁瓣电平(SLL)分别达到-10.80 dB (15°), -12.22 dB (30°), -11.16 dB (45°)。与标准1比特架构（QLL≈0 dB）相比，量化瓣电平(QLL)显著降低了超过11 dB。频率扫描分析（图9，表3）进一步表明，该EMS在137-142 GHz范围内（约5 GHz带宽）能保持稳定的波束指向性和低旁瓣/量化瓣特性。

IV. 测量结果

A. MASB EMS制造

基于优化设计，研究人员加工了三款分别用于15°、30°和45°波束偏转的MASB EMS原型（图10）。最终器件尺寸为3.14×3.14 cm²（15λ×15λ），采用TLY-5介质基板和Taconic粘结片工艺制造。

B. 测量结果

测量系统示意图和实物图如图11所示。采用矢量网络分析仪(VNA)和时域门控技术，在120-160 GHz频带内测量了反射参数S₂₁。测量得到的峰值频率分别为140.5 GHz (15°), 139.2 GHz (30°), 138.3 GHz (45°)，与仿真结果吻合良好（图12, 13）。3 dB增益带宽分别达到11.07%, 7.79%, 6.36%，展示了优异的宽频带特性。

辐射方向图测量结果（图14）进一步验证了MASB设计的有效性。在各自峰值频率下，三个偏转角度的QLL抑制分别达到-16.55 dB, -12.46 dB, -10.84 dB。SLL除30°情况为-8.3 dB外，其余均优于-10 dB（表4）。这些结果充分证明了该非周期MASB布局在抑制不期望瓣辐射方面的强大能力。

研究结论与意义

本研究成功提出并验证了一种基于多原子单比特(MASB)架构的非周期1比特可重构被动电磁表面(RP-EMS)。该工作的主要贡献在于：首次采用整数编码进化算法同步优化了meta-atom的静态排布和动态1比特开关配置，从而在硬件复杂度最低（仅需P×Q个二极管）的前提下，有效克服了传统1比特RP-EMS固有的周期性相位量化误差问题。实验结果表明，在140 GHz毫米波频段，该EMS能够实现多角度（15°、30°、45°）高精度波束赋形，同时将量化瓣(QLL)和旁瓣电平(SLL)抑制在-10 dB以下，并具备超过11%的3 dB增益带宽和高于15%的反射效率（相对于同尺寸导体表面）。

与文献中基于随机预相位技术的1比特设计相比（表5），本研究提出的MASB单元和联合优化方法在抑制QLL和SLL方面展现了更优的性能和系统性优势。这项研究为未来5G/6G通信系统中低成本、高性能智能电磁环境(SEME)的实现提供了一条切实可行的技术路径，证明了即使采用极简的1比特控制，也能通过先进的优化设计和材料工程获得卓越的波束控制性能。未来工作可探索将MASB概念扩展到其他频段和更复杂的波束调控功能，并集成主动开关器件以实现真正的电控重构。