CN113761604A - 一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法及*** - Google Patents

一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法及*** Download PDF

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CN113761604A CN202111048272.5A CN202111048272A CN113761604A CN 113761604 A CN113761604 A CN 113761604A CN 202111048272 A CN202111048272 A CN 202111048272A CN 113761604 A CN113761604 A CN 113761604A
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张雨童
张浩波
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Abstract

本发明涉及一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法及***，首先根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型，然后对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值，实现了可重构全息超表面辐射旁瓣的最小化，降低对其他用户的干扰并提升了通信***性能。

Description

一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法及***
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法及***。
背景技术
为了实现无处不在的智能信息网络，即将到来的第六代(6G)无线通信对天线技术提出了严格的要求，如容量增强和精确的波束控制。虽然广泛使用的碟形天线和相控阵天线都有能力实现这些目标，但它们都存在着自身固有的缺陷，严重阻碍了它们的未来发展。具体而言，碟形天线需要沉重而昂贵的波束转向机械，而相控阵高度依赖功率放大器，耗电功率大，移相电路复杂，移相器众多，尤其是在高频波段。因此，为了满足未来6G无线***中指数增长的移动设备的数据需求，需要更经济高效的天线技术。在现有的天线技术中，全息天线作为一种小尺寸、低功耗的平面天线，以其低制造成本和低硬件成本的多波束控制能力受到越来越多的关注。具体地说，全息天线利用金属贴片在表面构建全息图案，根据干涉原理记录参考波和目标波之间的干涉。然后，参考波的辐射特性可以通过全息图案来改变，以产生所需的辐射方向。
然而，随着移动设备的***性增长，传统的全息天线面临着巨大的挑战，因为一旦全息图案建立，传统全息天线其辐射方向图就固定了，因此无法满足移动通信的需求。由于超材料的可控性，新兴的RHS(Reconfigurable holographic surface，可重构全息超表面)技术在改善传统全息天线的不足方面显示出极大的潜力。RHS是一种超轻薄的平面天线，天线表面嵌有许多超材料辐射单元。具体而言，由天线馈源产生的参考波以表面波的形式激励RHS，使得基于印刷电路板(PCB)技术制造的拥有紧凑结构的RHS成为可能。根据全息图案，每个辐射单元可以通过电控制参考波的辐射幅度来产生所需的辐射方向。因此，相比于传统的碟形天线和相控阵天线，RHS无需重型机械运动装置和复杂的移相电路就可以实现动态波束成形，可以大大节省天线制造成本以及功率损耗，同时其轻薄的结构也十分便于安装。
现有于RHS的现有研究工作大致集中于RHS硬件组件设计和辐射方向控制上。大多数研究仅证明了RHS实现动态多波束控制的可行性，然而，RHS辐射时产生的旁瓣能够增强对其他用户的干扰，导致降低了通信***的性能。且目前还没有工作研究如何削弱RHS辐射时产生的旁瓣从而降低对其他用户的干扰提升通信***性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法及***，以使可重构全息超表面辐射旁瓣最小化，降低对其他用户的干扰提升通信***性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法，所述可重构全息超表面作为平面天线应用于无线通信***，所述无线通信***包括多个网络接入点，每个接入点设置一个可重构全息超表面，所述可重构全息超表面包括由多个超材料辐射单元组成的阵列；所述优化方法包括：
根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型；
对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
可选的，所述根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型，之前还包括：
确定无线通信***中任一坐标点的信号功率为
Figure BDA0003251819900000021
其中，
Figure BDA0003251819900000022
为无线通信***中坐标点为
Figure BDA0003251819900000023
的信号功率，r、θ、
Figure BDA0003251819900000024
分别为坐标点到天线的距离、坐标点的俯仰角和方位角，Pl为第l个可重构全息超表面的辐射功率，L为可重构全息超表面的数量，
Figure BDA0003251819900000025
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元与坐标点
Figure BDA0003251819900000026
的传输信道，
Figure BDA0003251819900000027
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，ks为参考波在RHS表面传播的传播矢量，rm,n为第(m,n)个超材料辐射单元在可重构全息超表面的距离矢量，m、n分别为多个超材料辐射单元组成的阵列的第m行、第n列。
可选的，所述根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型，具体包括：
根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型为
Figure BDA0003251819900000031
其中，
Figure BDA0003251819900000032
分别为第1、L个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，
Figure BDA0003251819900000033
Figure BDA0003251819900000034
Figure BDA0003251819900000035
为第l个可重构全息超表面的服务区域的方位角范围，R为最远的服务距离。
可选的，所述对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值，具体包括：
将无线通信***的旁瓣削弱优化模型拆分成多个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型：
Figure BDA0003251819900000036
其中，Ql为第l个可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的比值；
对每个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
可选的，所述对每个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值，具体包括：
初始化可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅；
令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1；
选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure BDA0003251819900000041
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
将m的数值增加1或n的数值增加1，返回步骤“选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure BDA0003251819900000042
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值”，直至获得可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
根据每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，利用旁瓣削弱优化子模型，计算可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的更新比值；
判断所述更新比值是否收敛，获得判断结果；
若所述判断结果表示否，则将每个超材料辐射单元的初始辐射振幅更新为各自超材料辐射单元的辐射振幅更新值，返回步骤“令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1”；
若所述判断结果表示是，则输出每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，作为使得旁瓣能量最小化时的可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化***，所述可重构全息超表面作为平面天线应用于无线通信***，所述无线通信***包括多个网络接入点，每个接入点设置一个可重构全息超表面，所述可重构全息超表面包括由多个超材料辐射单元组成的阵列；所述优化***包括：
旁瓣削弱优化模型构建模块，用于根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型；
电磁波幅度值优化模块，用于对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
可选的，所述***还包括：
信号功率确定模块，用于确定无线通信***中任一坐标点的信号功率为
Figure BDA0003251819900000051
其中，
Figure BDA0003251819900000052
为无线通信***中坐标点为
Figure BDA0003251819900000053
的信号功率，r、θ、
Figure BDA0003251819900000054
分别为坐标点到天线的距离、坐标点的俯仰角和方位角，Pl为第l个可重构全息超表面的辐射功率，L为可重构全息超表面的数量，
Figure BDA0003251819900000055
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元与坐标点
Figure BDA0003251819900000056
的传输信道，
Figure BDA0003251819900000057
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，ks为参考波在RHS表面传播的传播矢量，rm,n为第(m,n)个超材料辐射单元在可重构全息超表面的距离矢量，m、n分别为多个超材料辐射单元组成的阵列的第m行、第n列。
可选的，所述旁瓣削弱优化模型构建模块，具体包括：
旁瓣削弱优化模型构建子模块，用于确根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型为
Figure BDA0003251819900000058
其中，
Figure BDA0003251819900000059
分别为第1、L个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，
Figure BDA00032518199000000510
Figure BDA00032518199000000511
Figure BDA00032518199000000512
为第l个可重构全息超表面的服务区域的方位角范围，R为最远的服务距离。
可选的，所述电磁波幅度值优化模块，具体包括：
旁瓣削弱优化子模型拆分子模块，用于将无线通信***的旁瓣削弱优化模型拆分成多个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型：
Figure BDA0003251819900000061
其中，Ql为第l个可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的比值；
电磁波幅度值求解子模块，用于对每个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
可选的，所述电磁波幅度值求解子模块，具体包括：
辐射振幅初始化单元，用于初始化可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅；
阵列初始化单元，用于令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1；
单个辐射振幅更新单元，用于选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure BDA0003251819900000062
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
全部辐射振幅更新单元，用于将m的数值增加1或n的数值增加1，返回步骤“选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure BDA0003251819900000063
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值”，直至获得可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
更新比值计算单元，用于根据每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，利用旁瓣削弱优化子模型，计算可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的更新比值；
判断结果获得单元，用于判断所述更新比值是否收敛，获得判断结果；
步骤返回单元，用于若所述判断结果表示否，则将每个超材料辐射单元的初始辐射振幅更新为各自超材料辐射单元的辐射振幅更新值，返回步骤“令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1”；
幅值优化单元，用于若所述判断结果表示是，则输出每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，作为使得旁瓣能量最小化时的可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法及***，首先根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型，然后对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值，实现了可重构全息超表面辐射旁瓣的最小化，降低对其他用户的干扰并提升了通信***性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法的流程图；
图2为本发明提供的可重构全息超表面的结构示意图；
图3为本发明提供的表面波传输示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法及***，以使可重构全息超表面辐射旁瓣最小化，降低对其他用户的干扰提升通信***性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
可重构全息超表面由馈源、平行板波导和超材料辐射单元阵列构成，如图2所示，其中馈源发出电磁波，电磁波在平行板波导上以表面波的形式进行传播(如图3所示)，传播过程中，超材料辐射单元由变容二极管进行控制，通过调节施加在每个超材料辐射单元上变容二极管的电压，可实现对传播至超材料辐射单元上电磁波的辐射振幅调节，因此，将超表面单元中施加于变容二极管上的偏置电压调节为目标值，在所述超材料辐射单元上辐射出的电磁波幅度值为目标幅度值。
本发明基于可重构全息超表面，提供了一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法，如图1所示，可重构全息超表面作为平面天线应用于无线通信***，无线通信***包括多个网络接入点，每个接入点设置一个可重构全息超表面，可重构全息超表面包括由多个超材料辐射单元组成的阵列；
优化方法包括：
步骤101，根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型；
步骤102，对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
具体实现过程如下：
首先对无线通信场景以及发射装置中的变量进行字母表述与假设：
考虑一个具有L个网络接入点(Access point，AP)的无线通信***，编号为{1，2，...，l，..，L}。每个AP都装有一个单馈源可重构全息超表面(Reconfigurableholographic surface，RHS)，为多个用户提供广播服务。假设每个AP均服务I个用户，第l个AP服务的用户的编号为{l1，...，li，*...lI}。RHS由M×N个超材料辐射单元祖成，每个辐射单元的辐射幅度在[0,1]之间，对每个超材料辐射单元的辐射振幅Mm，n(即传输到每一个超材料辐射单元的参考波的能量辐射至自由空间的比例)进行0-1之间的初始化；RHS每个辐射单元与每个用户之间的传输信道
Figure BDA0003251819900000091
可根据实际情况利用计算机进行模拟，APl与每个用户li之间的总信道矩阵用Hl，i表示，其维度为1×MN；假设APl向用户发送的信号为Sl。AP对于发送给用户的信号输入RHS的馈源中，馈源发出携带有发送信号的参考波经过RHS的全息波束成形(即每个辐射单元根据Mm，n对参考波能量向自用空间辐射以形成固定方向的波束)发送给各个用户，则每个用户接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0003251819900000092
其中，Ml是由元素
Figure BDA0003251819900000093
构成的大小为MN×K的矩阵，第l′个AP服务的用户。
确定无线通信***中任一坐标点的信号功率为
Figure BDA0003251819900000094
其中，
Figure BDA0003251819900000095
为无线通信***中坐标点为
Figure BDA0003251819900000096
的信号功率，r、θ、
Figure BDA0003251819900000097
分别为坐标点到天线的距离、坐标点的俯仰角和方位角，Pl为第l个可重构全息超表面的辐射功率，L为可重构全息超表面的数量，
Figure BDA0003251819900000098
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元与坐标点
Figure BDA0003251819900000099
的传输信道，
Figure BDA00032518199000000910
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，ks为参考波在RHS表面传播的传播矢量，rm,n为第(m,n)个超材料辐射单元在可重构全息超表面的距离矢量，m、n分别为多个超材料辐射单元组成的阵列的第m行、第n列。
步骤101，根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型，具体包括：
根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型为
Figure BDA0003251819900000101
其中，
Figure BDA0003251819900000102
分别为第1、L个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，
Figure BDA0003251819900000103
Figure BDA0003251819900000104
Figure BDA0003251819900000105
为无线通信***中坐标点为
Figure BDA0003251819900000106
的信号功率，r、θ、
Figure BDA0003251819900000107
分别为坐标点到天线的距离、坐标点的俯仰角和方位角，
Figure BDA0003251819900000108
为第l个可重构全息超表面的服务区域的方位角范围，R为最远的服务距离。
步骤102，为了求解上述问题，注意到每个RHS的
Figure BDA0003251819900000109
只与其服务的区域相关，所以旁瓣削弱优化模型可以拆分成L个子问题，每个子问题求解RHS l最优的
Figure BDA00032518199000001010
即
将无线通信***的旁瓣削弱优化模型拆分成多个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型：
Figure BDA00032518199000001011
其中，Ql为第l个可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的比值；可以得出
Figure BDA00032518199000001012
Ql计算公式中只有
Figure BDA00032518199000001013
为未知量。
对每个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
对每个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型进行迭代求解的具体步骤为：
初始化可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅；
令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1；
选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure BDA0003251819900000111
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
将m的数值增加1或n的数值增加1，返回步骤“选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure BDA0003251819900000112
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值”，直至获得可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
根据每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，利用旁瓣削弱优化子模型，计算可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的更新比值；
判断更新比值是否收敛，获得判断结果；
若判断结果表示否，则将每个超材料辐射单元的初始辐射振幅更新为各自超材料辐射单元的辐射振幅更新值，返回步骤“令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1”；
若判断结果表示是，则输出每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，作为使得旁瓣能量最小化时的可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
RHS及其旁瓣削弱方法相较于其他技术的优势：
1.相比于传统的碟形天线通过笨重的机械装置控制天线转动从而实现波束控制的方式，且后期维修费用高昂，RHS尺寸小，制造使用PCB技术使其结构紧凑而轻薄，制造成本大大降低，易于直接安装在发射装置上，采用电控制的方式可以达到很好的动态多波束控制效果，因此RHS非常适用于多用户移动通信。
2.RHS功耗低，硬件成本低：相控阵天线虽然也利用电控制波束方向，但是相控阵依赖于大量的移相器控制每根天线中电磁波的相位，同时还需要大量功率放大器，因此，相控阵天线需要复杂的移相电路，且功率损耗大，硬件成本高。相比之下，RHS则不需要移相器以及复杂的移相电路，利用二极管开关状态即可控制每个辐射单元辐射电磁波能量的不同，即通过调幅的方式就可以完成波束控制，因此用RHS辅助通信功耗低，硬件成本也很低，相对相控阵天线有很大的优势。
3.本专利提出的旁瓣削弱方案考虑了多个RHS之间相互耦合的影响，可以有效提升每个RHS服务的所有用户的数据速率同时减少对其他非服务用户的干扰。
4.解决了现有尚无提高削弱可重构全息超平面旁瓣方法的问题。
本发明还提供了一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化***，可重构全息超表面作为平面天线应用于无线通信***，无线通信***包括多个网络接入点，每个接入点设置一个可重构全息超表面，可重构全息超表面包括由多个超材料辐射单元组成的阵列；优化***包括：
旁瓣削弱优化模型构建模块，用于根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型；
电磁波幅度值优化模块，用于对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
***还包括：
信号功率确定模块，用于确定无线通信***中任一坐标点的信号功率为
Figure BDA0003251819900000121
其中，
Figure BDA0003251819900000122
为无线通信***中坐标点为
Figure BDA0003251819900000123
的信号功率，r、θ、
Figure BDA0003251819900000124
分别为坐标点到天线的距离、坐标点的俯仰角和方位角，Pl为第l个可重构全息超表面的辐射功率，L为可重构全息超表面的数量，
Figure BDA0003251819900000125
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元与坐标点
Figure BDA0003251819900000126
的传输信道，
Figure BDA0003251819900000127
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，ks为参考波在RHS表面传播的传播矢量，rm,n为第(m,n)个超材料辐射单元在可重构全息超表面的距离矢量，m、n分别为多个超材料辐射单元组成的阵列的第m行、第n列。
旁瓣削弱优化模型构建模块，具体包括：
旁瓣削弱优化模型构建子模块，用于确根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型为
Figure BDA0003251819900000131
其中，
Figure BDA0003251819900000132
分别为第1、L个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，
Figure BDA0003251819900000133
Figure BDA0003251819900000134
Figure BDA0003251819900000135
为无线通信***中坐标点为
Figure BDA0003251819900000136
的信号功率，r、θ、
Figure BDA0003251819900000137
分别为坐标点到天线的距离、坐标点的俯仰角和方位角，
Figure BDA0003251819900000138
为第l个可重构全息超表面的服务区域的方位角范围，R为最远的服务距离。
电磁波幅度值优化模块，具体包括：
旁瓣削弱优化子模型拆分子模块，用于将无线通信***的旁瓣削弱优化模型拆分成多个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型：
Figure BDA0003251819900000139
其中，Ql为第l个可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的比值；
电磁波幅度值求解子模块，用于对每个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
电磁波幅度值求解子模块，具体包括：
辐射振幅初始化单元，用于初始化可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅；
阵列初始化单元，用于令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1；
单个辐射振幅更新单元，用于选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure BDA0003251819900000141
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
全部辐射振幅更新单元，用于将m的数值增加1或n的数值增加1，返回步骤“选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure BDA0003251819900000142
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值”，直至获得可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
更新比值计算单元，用于根据每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，利用旁瓣削弱优化子模型，计算可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的更新比值；
判断结果获得单元，用于判断更新比值是否收敛，获得判断结果；
步骤返回单元，用于若判断结果表示否，则将每个超材料辐射单元的初始辐射振幅更新为各自超材料辐射单元的辐射振幅更新值，返回步骤“令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1”；
幅值优化单元，用于若判断结果表示是，则输出每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，作为使得旁瓣能量最小化时的可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法，其特征在于，所述可重构全息超表面作为平面天线应用于无线通信***，所述无线通信***包括多个网络接入点，每个接入点设置一个可重构全息超表面，所述可重构全息超表面包括由多个超材料辐射单元组成的阵列；所述优化方法包括：
根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型；
对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
2.根据权利要求1所述的削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法，其特征在于，所述根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型，之前还包括：
确定无线通信***中任一坐标点的信号功率为
Figure FDA0003251819890000011
其中，
Figure FDA0003251819890000012
为无线通信***中坐标点为
Figure FDA0003251819890000013
的信号功率，r、θ、
Figure FDA0003251819890000014
分别为坐标点到天线的距离、坐标点的俯仰角和方位角，Pl为第l个可重构全息超表面的辐射功率，L为可重构全息超表面的数量，
Figure FDA0003251819890000015
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元与坐标点
Figure FDA0003251819890000016
的传输信道，
Figure FDA0003251819890000017
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，ks为参考波在RHS表面传播的传播矢量，rm,n为第(m,n)个超材料辐射单元在可重构全息超表面的距离矢量，m、n分别为多个超材料辐射单元组成的阵列的第m行、第n列。
3.根据权利要求2所述的削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法，其特征在于，所述根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型，具体包括：
根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型为
Figure FDA0003251819890000021
其中，
Figure FDA0003251819890000022
分别为第1、L个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，
Figure FDA0003251819890000023
为第l个可重构全息超表面的服务区域的方位角范围，R为最远的服务距离。
4.根据权利要求3所述的削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法，其特征在于，所述对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值，具体包括：
将无线通信***的旁瓣削弱优化模型拆分成多个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型：
Figure FDA0003251819890000024
其中，Ql为第l个可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的比值；
对每个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
5.根据权利要求4所述的削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法，其特征在于，所述对每个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值，具体包括：
初始化可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅；
令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1；
选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure FDA0003251819890000031
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
将m的数值增加1或n的数值增加1，返回步骤“选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure FDA0003251819890000032
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值”，直至获得可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
根据每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，利用旁瓣削弱优化子模型，计算可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的更新比值；
判断所述更新比值是否收敛，获得判断结果；
若所述判断结果表示否，则将每个超材料辐射单元的初始辐射振幅更新为各自超材料辐射单元的辐射振幅更新值，返回步骤“令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1”；
若所述判断结果表示是，则输出每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，作为使得旁瓣能量最小化时的可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
6.一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化***，其特征在于，所述可重构全息超表面作为平面天线应用于无线通信***，所述无线通信***包括多个网络接入点，每个接入点设置一个可重构全息超表面，所述可重构全息超表面包括由多个超材料辐射单元组成的阵列；所述优化***包括：
旁瓣削弱优化模型构建模块，用于根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型；
电磁波幅度值优化模块，用于对无线通信***的旁瓣削弱优化模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
7.根据权利要求6所述的削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化***，其特征在于，所述***还包括：
信号功率确定模块，用于确定无线通信***中任一坐标点的信号功率为
Figure FDA0003251819890000041
其中，
Figure FDA0003251819890000042
为无线通信***中坐标点为
Figure FDA0003251819890000043
的信号功率，r、θ、
Figure FDA0003251819890000044
分别为坐标点到天线的距离、坐标点的俯仰角和方位角，Pl为第l个可重构全息超表面的辐射功率，L为可重构全息超表面的数量，
Figure FDA0003251819890000045
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元与坐标点
Figure FDA0003251819890000046
的传输信道，
Figure FDA0003251819890000047
为第l个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，ks为参考波在RHS表面传播的传播矢量，rm,n为第(m,n)个超材料辐射单元在可重构全息超表面的距离矢量，m、n分别为多个超材料辐射单元组成的阵列的第m行、第n列。
8.根据权利要求7所述的削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化***，其特征在于，所述旁瓣削弱优化模型构建模块，具体包括：
旁瓣削弱优化模型构建子模块，用于确根据可重构全息超表面辐射的主瓣能量与旁瓣能量的比值，构建无线通信***的旁瓣削弱优化模型为
Figure FDA0003251819890000048
其中，
Figure FDA0003251819890000049
分别为第1、L个可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅，
Figure FDA00032518198900000410
为第l个可重构全息超表面的服务区域的方位角范围，R为最远的服务距离。
9.根据权利要求8所述的削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化***，其特征在于，所述电磁波幅度值优化模块，具体包括：
旁瓣削弱优化子模型拆分子模块，用于将无线通信***的旁瓣削弱优化模型拆分成多个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型：
Figure FDA00032518198900000411
其中，Ql为第l个可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的比值；
电磁波幅度值求解子模块，用于对每个可重构全息超表面的旁瓣削弱优化子模型进行迭代求解，确定使得旁瓣能量最小化时的每个可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
10.根据权利要求9所述的削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化***，其特征在于，所述电磁波幅度值求解子模块，具体包括：
辐射振幅初始化单元，用于初始化可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅；
阵列初始化单元，用于令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1；
单个辐射振幅更新单元，用于选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure FDA0003251819890000051
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
全部辐射振幅更新单元，用于将m的数值增加1或n的数值增加1，返回步骤“选定第(m,n)个超材料辐射单元为优化对象，根据可重构全息超表面中第(m,n)个超材料辐射单元以外的超材料辐射单元的初始辐射振幅，利用公式
Figure FDA0003251819890000052
获得第(m,n)个超材料辐射单元的辐射振幅更新值”，直至获得可重构全息超表面中每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值；
更新比值计算单元，用于根据每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，利用旁瓣削弱优化子模型，计算可重构全息超表面的主瓣能量与旁瓣能量的更新比值；
判断结果获得单元，用于判断所述更新比值是否收敛，获得判断结果；
步骤返回单元，用于若所述判断结果表示否，则将每个超材料辐射单元的初始辐射振幅更新为各自超材料辐射单元的辐射振幅更新值，返回步骤“令可重构全息超表面中由多个超材料辐射单元组成的阵列的行数m为1，列数n为1”；
幅值优化单元，用于若所述判断结果表示是，则输出每个超材料辐射单元的辐射振幅更新值，作为使得旁瓣能量最小化时的可重构全息超表面中每个超材料辐射单元辐射的电磁波幅度值。
CN202111048272.5A 2021-09-08 2021-09-08 一种削弱可重构全息超表面辐射旁瓣的优化方法及*** Withdrawn CN113761604A (zh)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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